C语言——动态内存管理
前言
对于数据的存储的我们早已了然于心，那我们对于动态内存的管理又是如何呢？这就是我们今天要讲的内容，动态内存管理。
一. 为什么存在动态内存管理
首先在之前我们对于数据的存储都是这样的：
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间我们会发现都是在栈空间上开辟空间，其实在我们计算机中还有静态区，栈区，堆区和文字常量区，其中栈区(stack)存放的就是我们的函数里面的变量其中包括main函数，而堆区(heap)存放的就是我们动态内存开辟的空间，静态区(static)的则是我们定义的全局变量或者static关键字定义的变量，文字常量区就是存放一些文字信息。
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。
二. 动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
malloc函数的作用是向内存申请一块连续可用的空间，并返回这块空间的指针。
void* malloc (size_t size);1.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2.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。
3.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。
4.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。
因为我们在内存中申请了一块空间，当我们使用结束的时候，我们需要将函数内存释放，不然会造成内存泄漏，所以我们还会有一个free函数。
void free (void* ptr);1.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。
2.如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
举例说明：
#include
int main()
{
//代码1
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};
//代码2
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
int i = 0;
for(i=0; i 注意：
free函数和malloc函数都需要使用stdlib.h头文件
每次调用malloc函数都需要判断返回值是否置为NULL空指针
free函数使用之后，需要将返回地址置位NULL空指针
2.2 calloc
还有一种与malloc非常相似的函数叫作calloc，它的功能同样与malloc一样。
void* calloc (size_t num, size_t size);1.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。
2.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。
举个例子：
#include
#include
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if(NULL != p)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 
我们发现申请的空间都自动初始化成0了，所以当我们需要对申请空间的内容初始化的时候，我们就可以很方便的使用calloc函数来申请动态内存空间。
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);1.ptr 是要调整的内存地址
2.size 调整之后新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置。
4.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：
原有空间之后有足够大的空间
原有空间之后没有足够大的空间
第一种情况的时候，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。
第二种情况的时候，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。
#include
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//扩展容量
//代码1
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
} 三. 常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针解引用操作
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}所以每当我们开辟内存空间的时候就需要判断返回指针是否为空指针？
3.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
if(NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}我们需要注意使用内存空间的大小不能超过开辟的内存空间。
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}切记free函数只能释放内存函数开辟的空间，并不能释放其他的空间。
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}注意这个地方的p已经不再指向动态开辟的内存的起始地址了。
3.5 对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}对于同一块动态内存空间只能释放一次，不能多次释放。
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
四. C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》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。
五. 柔型数组
也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。
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。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员,有的编译器可能无法通过，则改成int a[];就行
}type_a;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。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4可以看到这个结构体的大小只是4，并没有将柔性数组的大小算入其中。
5.2 柔性数组的使用
//代码1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);这样的柔性数组成员a就相当拥有了100个连续整型元素的空间。
5.3 柔性数组的优势
上述代码，我们不使用柔性数组也是可以完成的：
//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;方法一使用柔性数组的好处有：
1.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。
2.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。
到这里就是动态内存的全部内容了，下期再见！