C语言——动态内存管理

目录

1. 为什么存在动态内存分配

2. 动态内存函数的介绍

        2.1 malloc和free

        2.2  calloc

        2.3 realloc

3. 常见的动态内存错误

        3.1 对NULL指针的解引用操作

        3.2 对动态开辟空间的越界访问

        3.3 对非动态开辟内存使用free释放

        3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

        3.5 对同一块动态内存多次释放

        3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. 经典例题

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5. 柔性数组

        5.1 柔性数组的特点

        5.2 柔性数组的使用

​

        5.3 柔性数组的优势

结语

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1. 为什么存在动态内存分配

我们已经知道的内存开辟方式有：

int n = 20;//在栈空间上开辟四个字节

char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟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。

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了，这时候就只能试试动态存开辟了。

2. 动态内存函数的介绍

        2.1 malloc和free

malloc和free都声明在 <stdlib.h> 头文件中

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请一块 连续可用 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，也就是起始地址。

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 的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

 可以看到旁边的内存窗口p的内容已经被修改了。

C 语言提供了另外一个函数 free ，专门是用来做动态内存的释放和回收的

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。

上面就是我们开辟好并且赋值的内存空间，使用free就可以释放这些空间

free传入的是开辟的内存空间的起始地址，之后判断一下ptr是不是NULL，再去写下面的代码

当然malloc申请的空间不能太大，INT_MAX是整型最大值，想要申请那么大的空间是不可能的，malloc申请失败就会返回空指针，perror就会帮我们打印出：没有足够的空间。

        2.2  calloc

C 语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。

原型如下：

void* calloc ( size_t num , size_t size );

函数的功能是为 num 个大小为 size 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 。

        2.3 realloc

realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。

有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

void* realloc ( void* ptr , size_t size );

ptr 是要调整的内存地址

size 调整之后新大小

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 在调整内存空间的是存在两种情况：

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

       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。

       当我们在使用realloc函数的时候，最好先把重新申请的空间地址放在一个临时变量中，如果没有申请成功就会返回一个空指针，所以申请成功了再把该地址赋值到开始的地址，如同下面的ptr就是一个临时变量，p才是我们要放置的地址。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;;
	}
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	//扩容成功，可以使用

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

在我们使用内存操作函数时，一定要注意一写常见的错误，即使是一个小错误，也不能忽视

        3.1 对NULL指针的解引用操作

        首先就是当我们向内存申请空间时，可能会申请失败，一定要判断返回的指针是不是空指针，如果是就会造成对空指针解引用的问题，这时就要及时返回，不要再运行后面的代码了。

        3.2 对动态开辟空间的越界访问

申请了100个字节可以放25个整型，但下面放了26个，会造成越界访问

 

 我们在运行程序的时候，就会出现问题，所以在操作的时候要检查内存边界。

        3.3 对非动态开辟内存使用free释放

我们自己创建的局部变量是不可以用free来释放的，它会在程序结束时被自动回收，而我们向内存申请的动态内存必须要free来释放。

        3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

申请了100个字节的空间，25个整型，这里访问了10个后。p指向了第11个位置，这是free释放了从第11开始的位置，而前10个没有被释放，在运行时就会出现错误。

        3.5 对同一块动态内存多次释放

        3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

这里就如同我们模拟一个一直在运行的程序，如果一直申请而不去释放内存，内存迟早就会满了。

4. 经典例题

（1）

可以看到这里什么都没有打印，其实是崩溃了。

       看一下上面这个提示，str可能是0，也就是空指针，当我们调用这个GetMemory函数时，创建了p变量来申请内存，但是出了函数后，申请的内存的位置没有变量记住，也没有返回，所以str还是空指针，strcpy函数对空指针进行解引用就会出现问题，就会非法访问内存，而且申请的内存空间也没有释放，会造成内存泄漏。

       对上面的代码进行修改，使得最后打印出我们想要的内容，第一个问题就是我们申请的内存没有记住，那直接把str的地址传进去，就可以直接改变str的内容，str是一个一级指针，那函数就直接用二级指针来接收，再解引用操作对str申请内存，这样就可以把申请的100个字节放到str中，最后再free(str)。

（2）

       上面没有申请空间，所以不存在没有free的情况，但打印的还是乱码 ，这是因为GetMemory函数中p是字符数组，记录了'h'的位置，当函数调用完这块空间就销毁了，被操作系统回收了，但还是记住了这块空间的地址，但里面的内容已经被修改了，并不知道被改成了什么，当我们想要访问str的时候，此时str就是个野指针。这就是返回了栈空间的地址的问题，非常容易造成野指针的问题。

（3）

       这里的问题就相当的简单了，malloc申请了空间，但是没有free，想要改正确就free一下并且赋值成NULL就可以了。

（4）

       虽然这里打印了world，但是这个代码还是有问题的，编译器也已经报了警告，当我们申请了空间，并且strcpy复制了之后，str这个地址就已经被free了，但并没有赋值为NULL，所以这里面还是放置了内容的，并不是空指针，如果再被访问了就会造成非法访问的问题，所以当我们使用完之后，free之后一定要赋值成NULL。

最后声明一下，这些题目都出自高质量C++/C编程这本书最后的编程题。

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5. 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。

        5.1 柔性数组的特点

（1）结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

（2）sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

（3）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。

 

        5.2 柔性数组的使用

        5.3 柔性数组的优势

方便释放内存

像这样使用指针其实也可以达到相同的效果 

 

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。

结语

       这一篇关于动态内存操作的相关知识就介绍到这里，继续下一篇。