超详细——动态内存分配+柔性数组
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文章目录
- 一.为什么存在动态内存分配
- 二.动态内存函数的介绍
-
- 2.1 malloc和free
- 2.2 calloc
- 2.3 realloc
- 三.常见的动态内存错误
-
- 3.1 对空指针的解引用操作
- 3.2 对动态开辟空间的越界访问
- 3.3 对非动态开辟内存进行free释放
- 3.4 动态开辟的内存没有被释放完
- 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）
- 四. C/C++程序的内存开辟
- 五.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
- 结尾
一.为什么存在动态内存分配
我们已经学会的内存开辟方式有：创建一个变量，创建一个数组
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
我们创建一个整形变量就会申请4个字节，创建个数组就会申请10个字节
但是这两种方法创建的变量的空间大小是固定的，不能变大也不能变小，所以它们是有一定的局限性的，所以为了让我们能够更加灵活的控制所需要空间的大小，不够了增加，大了可以缩小。这个时候我就给大家介绍 : C语言中提供了动态内存管理相关的一些函数。
二.动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
C语言提供了一个内存开辟的函数：
malloc可以向内存申请一块连续的空间，并返回一个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的行为是标准是未定义的，取决于编译器
举个例子
#include这样我们就开辟了一个20个字节的空间。因为开辟失败会返回空指针，所以一般我们需要判断p是否为空指针，若为空则停止操作。同时在程序结束的时候这块空间就用不到了，所以我们需要释放开辟的这块空间，这时就用到了free函数
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，函数原型如下：
-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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
我们现在来完善刚刚的代码
int main()
{
//申请
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
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：
calloc与malloc的功能大致相同，只不过calloc是开辟num个大小为size个字节的空间，并会把其所有位初始化位0。
举个例子
#include 
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务
2.3 realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。当我们觉得开辟的空间过大或者过小的时候，可以用realloc对我们的空间进行重新开辟，然后返回内存的起始位置
函数原型如下
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。
由于内存空间是随机分配的,当我们想要扩大原来开辟的空间时，后面的内存可能已经被占用了
所以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
因为空间足够大，realloc会在原空间后直接补上20个字节的空间，这时就变成了40个字节，同时会返回这块空间的起始地址
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
因为空间不够大，realloc会重新在内存中开辟一块足够大的空间，并把原来空间中存放的数据复制过来，然后返回新空间的起始地址。
此时我们想一想，原来的空间是不是就没有用处了，所有realloc也会把原来的内存空间给释放掉
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
#include 注意：由于realloc开辟失败的时候会返回空指针，我们要是用ptr指针接收的话，ptr就变成了空指针，这样我们原来开辟的空间就搞丢了。所有我们要用一个临时的指针p来接收，当p不为空指针的时候，我们再把p中存储的地址赋给ptr,然后正常使用即可
三.常见的动态内存错误
3.1 对空指针的解引用操作
我们需要判断是否成功开辟了空间
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);
}
3.2 对动态开辟空间的越界访问
我们开辟了多少空间就使用多少空间，如果不够可以用realloc重新开辟，但是不能越界访问。
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);
}
3.3 对非动态开辟内存进行free释放
不是我们动态开辟的内存我们是不能进行释放的
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}
3.4 动态开辟的内存没有被释放完
我们尽量不要更改开辟空间的指针
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
3.5 对同一块动态内存多次释放
是不可以多次释放的
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
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
oid test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}
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.柔性数组
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
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
有些编译器会报错无法编译可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
5.1 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。
例如：
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
5.2 柔性数组的使用
上代码：
//代码1
struct S
{
int n;
char c;
int arr[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
// 8 + 40
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10*sizeof(int));
if (ps == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
ps->n = 100;
ps->c = 'w';
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//调整arr数组的大小
struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
else
{
ps = ptr;
}
//使用
//...
//释放
free(ps);
ps = NULL；
return 0;
}
这样我们就创建了一个柔性数组，并且可以随意更改它的内存大小。
5.3 柔性数组的优势
上述代码也可以设计为：
//代码2
struct S
{
int n;
char c;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int*ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("malloc2");
return 1;
}
else
{
ps->arr = ptr;
}
//使用
ps->n = 100;
ps->c = 'w';
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//扩容 - 调整arr的大小
ptr = realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
else
{
ps->arr = ptr;
}
//使用
//释放
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
上述 代码1和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：
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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）
结尾
这些就是我给大家分享的有关动态内存分配的知识啦，希望我们都能有所收获
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