动态内存管理

为什么存在动态内存分配

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我们已经掌握的内存开辟方式有：

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

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。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。

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栈区与堆区的区别

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为什么要有动态内存

1. 在技术方面，普通的空间申请，都是在全局或者栈区，全局一般不太建议大量使用，而栈空间有限，那么如果一个应 用需要大量的内存空间的时候，需要通过申请堆空间来支持基本业务。
2. 在应用方面，程序员很难一次预估好自己总共需要花费多大的空间。想想之前我们定义的所有数组，因为其语法约 束，我们必须得明确"指出"空间大小.但是如果用动态内存申请（malloc），因为malloc是函数，而函数就可以传参，也 就意味着，我们可以通过具体的情况，对需要的内存大小进行动态计算，进而在传参申请，提供了很大的灵活性

int main() 
{ 
	char a[1024 * 1024]; //就简单的1M空间，程序就崩溃了 
	return 0; 
}

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动态内存函数的介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

注意： malloc函数它的返回类型是void *，在使用需要强制转换成使用类型的地址。

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。
• 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。

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：

void free (void* ptr);

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。

举个例子：

int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };//c99支持变长数组

	//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 < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

内存观察

问题 1
malloc的堆空间有必要free吗？
答：有必要，因为malloc如果是在24小时的程序运行比如（服务器）中，它会慢慢的占满堆区，所以说必须要free.
问题 2
ptr = NULL;//是否有必要？
答：有必要，因为如果没有将ptr制成空指针，如果不小心用了ptr的地址，因为ptr的地址free,这时就会造成越界访问。
问题 3
malloc你申请的空间，会给你多申请吗？
答：会多申请，实际malloc申请空间的时候，系统会给你的其实更多，多出的部分，记录这次申请了多大的空间。因此如果要申请的空间过小时，不宜使用malloc，因此申请大空间在堆上申请，申请小空间在栈上申请 。

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。

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;
}

内存观察

所以如何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。

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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
  
  情况1
  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。
  情况2
  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。
  由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

#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);
 ptr=NULL;
 return 0; }

问题1
为什么要用一个新的变量地址来接收realloc的函数返回值？
答： 因为如果用旧地址来接收realloc函数的返回值，如果申请空间失败了，旧的地址也跟着改变了，就找不到原来的地址了，因此需要一个新的变量地址接收，防止realloc申请失败。

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(1*size0f(int));
 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
 free(p);
}

修改

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(1*sizeof(int));

	if (p == NULL)//防止malloc开辟空间失败，返回空指针
	{
		perror("p == NULL");
		return;
	}
	*p = 20;

	free(p);
	p = NULL;
}

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);
}

对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
}

free不能对栈区的空间进行释放。

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
}

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
}

防止措施：free§的后面加上p=NULL。这时对空指针释放，不会有任何影响了，因为对空指针释放没有意义。

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);
}
void GetMemory(c

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 。

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几个经典的笔试题

题目1：

void GetMemory(char *p) 
{
 p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

解释：程序崩溃
GetMemory函数str以值传递的方式传递给了p,p是str的一份临时拷贝，然后malloc开辟的空间给了p,p中的地址在GetMemory函数执行完了，空间释放了，malloc开辟的空间的地址找不到了。strcpy(str, “hello world”):不能对空指针解引用，程序崩溃了。还有忘记free了。
改正

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

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题目2：

char *GetMemory(void) 
{
 char p[] = "hello world";
 return p; }
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
解释：返回栈空间地址的问题
创键char p[]这个变量在return p;p返回后，在这个{}大括号内部创建的所有临时变量（在栈空间内的变量）都销毁了。str=p;(p指向的内容就不确定了)，printf（str）:造成非法访问。
改正

char* GetMemory(void) 
{
	static char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void) 
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

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题目3：

void GetMemory(char **p, int num) 
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
解释：忘记释放动态开辟的空间，导致内存泄漏了。

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题目4：

void Test(void) 
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
解释：非法访问
str的空间已经free了，又对free的空间进行字符串拷贝，所以造成了非法访问。
改正

void Test(void) 
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	if (str == NULL)
		return;
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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C/C++程序的内存开辟

int glodalVar = 1;
static int staticGldalVar = 1;

int main()
{

	static int staticVar = 1;
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
	char arr[] = "abcd";
	char* ps = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, sizeof(sizeof(int) * 4));

	printf("%p\n", main);
	printf("%p\n", &glodalVar);
	printf("%p\n", &staticGldalVar);
	printf("%p\n", &staticVar);
	printf("%p\n", &localVar);
	printf("%p\n", num1);
	printf("%p\n", arr);
	printf("%p\n", ps);
	printf("%p\n", ptr1);
	printf("%p\n", ptr2);
	printf("%p\n", ptr3);

	free(ptr1);
	ptr1 = NULL;
	free(ptr3);
	ptr3 = NULL;

	return 0;
}

打印地址

内存大概分布图

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。

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;

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

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);

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//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))://不是连续开辟的
//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 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）