C语言进阶笔记（十） | 动态内存管理
目录
为什么存在动态内存分配
动态内存函数绍
malloc和free
代码演示
calloc
代码演示
realloc
realloc调整内存空间存在两种情况
代码演示
C/C++的内存开辟
常见的动态内存错误
1.对NULL指针的解引用操作
2.对动态开辟空间的越界访问
3.对非动态开辟内存使用free释放
4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
5.对同一块动态内存多次释放
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
柔性数组
什么是柔性数组
柔性数组的特点
代码演示
柔性数组的优势
第一个好处是：方便内存释放
第二个好处是：这样有利于访问速度
为什么存在动态内存分配
我们已经掌握了部分内存开辟的方式，比如：
int a = 10;
float f = 1.1;
int arr[10] = { 0 }；//等等但是，这些开辟内存空间的方式有两个特点：
1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
然而对于空间的需求，有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那上述开辟空间的方式就不能满足了，这时候就需要动态存开辟了。
动态内存函数绍
malloc和free
malloc
函数定义：void *malloc( size_t size );
头文件：
这个函数向内存申请一块连续可用大小为size个字节的空间，并返回指向这块空间的指针。
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自 己来决定。
如果参数 size 为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
free
函数定义：void free( void *ptr );
头文件：
free函数用来释放动态开辟的内存。
如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
代码演示
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//开辟10个整型的空间
//检查开辟失败
if (p == NULL)
{
perror("main");//打印错误原因信息
return 0;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//用完需要自己将空间还回操作系统
free(p);//free不会自动将p变为空指针，有非法访问的风险
p = NULL;//因此需要自己把 p 设为NULL
return 0;
} 调试结果
calloc
函数定义：void *calloc( size_t num, size_t size );
头文件：
函数的功能是为 num 个大小为 size 字节的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
代码演示
#include
#include
int main()
{
//int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//二者开辟的内存空间大小相同
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 0;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);//0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 调试结果
realloc
函数定义：void *realloc( void *ptr, size_t size );
头文件：
ptr 是要调整的内存地址；
size 调整之后新空间的大小；
返回值为调整之后的内存起始位置；
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间；
realloc调整内存空间存在两种情况
情况1：原有空间之后有足够大的空间
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。
代码演示
#include
#include
int main()
{
//int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//这里功能类似于malloc，直接在堆区开辟40个字节空间
//int* p = (int*)malloc(40);
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 0;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ", p[i]);//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
}
int* ptr = (int*)realloc(p, 20*sizeof(int));//返回值可能与原p不同，所以需要接收返回值
//但如果堆区空间不够调整失败会返回空指针NULL，所以不能直接用p接收
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 0;
}
p = ptr;
for (i = 10; i < 20; i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ", p[i]);//10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} C/C++的内存开辟
我们之前接触的开辟的内存基本上都是在栈上开辟的，那到底什么是栈呢？
之前我在《C语言学习笔记（四） | 函数》和《C语言进阶笔记（七） | 自定义类型1 结构体（详解）》两篇博文中有提及到，但是没有详细介绍。
其实C/C++内存分配区域大致划分为四个区域的，分别为栈区、堆区、数据段（静态区）、代码段等，其中栈区一般存放局部变量、函数形参；堆区一般存放动态内存（malloc、calloc、free、realloc等函数操作的内存空间）；数据段一般存放全局变量、静态变量（static修饰的变量）。
栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些 存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有 限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS回收 。分配方式类似 于链表。
数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
这里，我们讲的动态内存便是在堆区开辟的。
有了这幅图，我们也就可以更好的理解在《C语言初识笔记》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。 实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。 但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁 所以生命周期变长。
常见的动态内存错误
1.对NULL指针的解引用操作
2.对动态开辟空间的越界访问
3.对非动态开辟内存使用free释放
4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
5.对同一块动态内存多次释放
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
1.对NULL指针的解引用操作
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10000000000000000000);
//若开辟失败返回值为NULL，可能有问题
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 2.对动态开辟空间的越界访问
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 40; i++)//err 越界访问
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 3.对非动态开辟内存使用free释放
#include
int main()
{
int arr[10] = { 0 };
int* p = arr;
//使用...
free(p);//err 对非动态开辟内存使用free释放
p = NULL;
return 0;
} 4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*p++ = i;
}
free(p);//err p不再指向动态内存的起始位置
p = NULL;
return 0;
}
5.对同一块动态内存多次释放
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用...
free(p);
free(p);//err 重复释放
p = NULL;
//free(p);
//p = NULL;//紧跟置空可避免此错误造成影响
//free(p);
//p = NULL;
return 0;
} 6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
#include
#include
void test()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return;
}
//使用...
}
int main()
{
test();
//函数结束后p被销毁，但开辟的动态内存空间不会被回收，无法再释放被开辟的动态内存空间
//形成内存泄漏问题
//被开辟的动态内存空间两种回收方式
//1.主动free
//2.程序结束
//...
return 0;
} 柔性数组
什么是柔性数组
C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。
例如：
struct S
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
};
有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct S
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
};
柔性数组的特点
结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。
代码演示
代码1 柔性数组
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
struct S1
{
int n;
int arr[];//大小未知 柔性数组
};
int main()
{
//开辟空间 期望arr的大小是10个整型
struct S1* ps = (struct S1*)malloc(sizeof(struct S1) + 10 * sizeof(int));
// n的空间 arr的空间
if (ps == NULL)
{
return 1;
}
//使用
ps->n = 10;
int i = 10;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//增加
struct S1* ptr = (struct S1*)realloc(ps, sizeof(struct S1) + 20 * sizeof(int));
if (ptr != NULL)
ps = ptr;
//使用
for (i=10; i < 20; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
printf("\n");
//释放
free(ps);
ps = NULL;
//sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
printf("%d\n", sizeof(*ps));//4
return 0;
} 代码2 非柔性数组
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include
struct S2
{
int n;
int* p;
};
int main()
{
struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2));
if (ps == NULL)
{
return 1;
}
//使用
ps->n = 10;
ps->p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->p[i] = i;
}
//增加
int* ptr = (int*)realloc(ps->p, 20 * sizeof(int));
if (ptr != NULL)
ps->p = ptr;
//使用
for (i = 10; i < 20; i++)
{
ps->p[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ps->p[i]);
}
printf("\n");
//释放
free(ps);
ps = NULL;
//sizeof 返回的这种结构大小包括指针大小
printf("%d\n", sizeof(*ps));//8
return 0;
} 上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，那大家是否会疑惑，为什么还要有柔性数组呢？
因为 代码1 的实现有两个好处
柔性数组的优势
第一个好处是：方便内存释放
如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用 户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发 现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体 指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。
第二个好处是：这样有利于访问速度
连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。