C语言进阶——动态内存管理详解

目录

一、动态内存分配原因

二、动态内存函数

1、malloc：

2、free：

3、calloc：

4、realloc：

三、常见动态内存错误

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）：

四、C/C++程序的内存开辟

五、柔性数组

1、特点：

2、使用：

3、优势：

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一、动态内存分配原因

静态内存在静态存储区开辟，内存在程序编译的时候就已经分配好了，这块内存在程序执行期间都存在。但是其空间大小是固定的，指定多少个字节，则内存就分配多少空间。可对于空间需求我们不仅仅局限于固定值，某些情况我们不能确定所需空间大小，这时我们就需要动态内存开辟！

所谓动态内存分配，就是指在程序执行的过程中动态地分配或者回收存储空间的分配内存的方法。动态内存分配不像静态内存分配方法那样需要预先分配存储空间，而是由系统根据程序的需要即时分配，且分配的大小就是程序要求的大小即在程序运行时要根据需要从系统中动态多地获得内存空间。

补充：动态内存都是在堆区开辟，由程序员主动释放，否则可能造成内存泄漏。

二、动态内存函数

1、malloc：

void* malloc (size_t size);

malloc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。

这个函数声明在 stdlib.h的头文件中。

注：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的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

例：

int main()
{
    int num=4;
    int* ptr = NULL;
    ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));    //返回类型为int*
    if(NULL != ptr)    //判断动态内存开辟是否成功，ptr指针是否为空
    {
        for(int i=0; i

2、free：

free函数用来释放动态开辟的内存。

void free (void* ptr);

但是如果参数 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并且如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

例：

int main()
{
    int* ptr = NULL;
    ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
    free(ptr);    //释放ptr所指向的动态内存
    ptr = NULL;    //指针ptr置为空
    return 0;
}

3、calloc：

 calloc 函数也用来动态内存分配：

void* calloc (size_t num, size_t size);

注：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。

int main()
{
    int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));    //申请的空间的每个字节全都初始化为0。
    if(NULL != p)
    {
        //使用空间
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

4、realloc：

realloc函数可以让动态内存管理更加灵活：有时会我们发现申请的空间太小，有时候我们又会觉得申请的空间过大。为了使内存大小合理，我们会对内存空间做调整。此时我们就可以用realloc 函数来调整动态开辟内存的大小。

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

ptr 是要调整的是内存地址，size是调整之后新大小，返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数在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中。

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
             此时要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2：原有空间之后没有足够大的空间
             此时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。

 例：

int main()
{
    int *ptr = (int*)malloc(100);
    if(ptr != NULL)
    {
        //业务处理
    }
    else
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
    //代码2
    int*p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if(p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }

    free(ptr);
    return 0;
}

三、常见动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作：

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);
}

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);
}

3、对非动态开辟内存使用free释放：

void test()
{
    int a = 10;
    int *p = &a;
    free(p);    //静态存储无法用free函数释放！！！
}

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变化，不再指向动态内存的起始位置，无法释放
                //可以先用指针保存起始地址
}

5、对同一块动态内存多次释放：

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
    free(p);
    //p=NULL
    free(p);//重复释放。可以在第一次释放后，将p置为NULL，则再次释放不会报错!!!
}

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);
}
//动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。否则会造成内存泄漏

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。

 注：关于static修饰的局部变量生命周期延长

        由上述可知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修饰的变量是存放在数据段（静态区），所以静态局部变量和全局变量一样，都随程序启动而生，随程序结束而消亡。因此静态局部变量的生存期与全局变量一样。
 

五、柔性数组

 在C99标准中，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：

​
typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员

    //如果某些编译器报错，也可以修改成如下：
    //int a[];
    
}type_a;
​

1、特点：

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

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。

 

2、使用：

柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

//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);

 

3、优势：

//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;

上述代码1和代码2虽然都可以完成同样的功能，但是代码1的实现相比于代码2有两个好处：
【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】、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。