C语言——动态内存管理（malloc, calloc, realloc, free, 柔性数组详解）

C语言——动态内存管理

1. 为什么需要动态内存管理

我们以往定义数组，都是这么定义的：

int nums[10] = {0};

以这种方式开辟空间有两个特点：

1. 空间开辟的大小是固定的
2. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配

因此就导致了这样一个现象：我们无法在后续的过程中修改数组的大小，这是一个十分麻烦的事情

而为了解决这个问题，我们就需要学习动态内存开辟了

2. 动态内存函数的介绍

注：需要头文件

需要知道，和静态开辟空间不一样，计算机是在堆上开辟的动态空间

2.1 malloc

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请一块大小为size字节的连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针

• 如果开辟成功，则返回一个指向这块空间的指针
• 如果开辟失败，则返回一个空指针（NULL），因此我们一定要对malloc的返回值作有效性的判断
• 返回值为void *，因此当我们用指针变量接受这个返回值时，我们要将这个返回值强制转换为需要的类型
• 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，

例如：

#include
#include
int main()
{
    //向内存申请40个字节的空间，并将返回的指针强制转换成int*型，并将其赋予指针nums
    int *nums = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);	

    //检验返回值的有效性
    if (nums == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }

    //循环打印nums指向空间的值
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        printf("%d\n", *(nums + i));
    
    free(nums);
    nums = NULL;
    
    return 0;
}

output:

-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451

• 这说明，malloc申请到空间后，是不会对该空间初始化的

2.2 free

需要注意：凡是动态申请的内存，除非整个程序结束，申请的内存是不会主动归还给系统的，为了避免内存泄漏，我们应该使用函数free来将申请的内存释放

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
• 正常释放后，ptr指向不明，称为野指针，因此，应该置为空(NULL)

例如：

#include
#include

int main()
{
    //向内存申请40个字节的空间，并将返回的指针强制转换成int*型，并将其赋予指针nums
    int *nums = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);	

    //检验返回值的有效性
    if (nums == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }

    free(nums);	//释放ptr所指向的动态内存
    nums = NULL;	//将野指针置空
    
    return 0;
}

2.3calloc

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会在返回指针之前把申请的空间的每个字节初始化为0

例如：

##include<stdio.h>
#include
int main()
{    
	//申请10个大小为4的空间，并让指针nums指向它
    int* nums = (int*)calloc(10, sizeof(int));

    //判断返回值的有效性
    if(nums == NULL)
    {
        perror("calloc");
        return 1;
    }

    //打印nums指向空间的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++)
        printf("%d\n", *(nums + i));
    
    
    free(nums);
    nums = NULL;
    
    return 0;
}

output:

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0

2.4 realloc

所谓的动态内存管理，“内存管理”我们好像已经会了，那这个“动”又是怎么做到的呢？我们前面所学的malloc, calloc好像并不能让申请的内存动起来呀。

要想实现对内存的增加或减小，就需要我们的函数realloc：

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

• ptr是要调整的内存地址

  • 如果ptr不为空，那么就会修改ptr所指向空间的大小
  • 如果ptr为空，那么就和malloc的功能相似，会直接返回一个指向大小为size字节空间的指针

• size为调整之后的大小

• 返回值为调整之后的内存的起始位置

• 扩容后的空间不会被初始化

• 这个函数调整源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

• ealloc在调整内存空间时存在两种情况：

  • 情况一：原有空间之后有足够大的空间，那么就在原有的地方增容，并返回原来的起始地址

  

  • 情况二：原有空间之后没有足够大的空间，那么就在合适的地方重新开辟一块大小为size的空间，将原来空间的数据拷贝到新空间，再释放掉原来的空间，最后再返回新空间的起始地址

    

• 如果调整失败，就会返回空指针，为了考虑到这种情况，我们应该避免以下的代码：

//error example

#include
#include

int main()
{
	int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (nums == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

    //如果开辟失败，那么nums就成了空指针，前面nums管理的40个字节的空间就找不到了，这样就造成了内存泄漏
	nums = (int*)realloc(nums, 20 * sizeof(int));
	if (nums == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	
	free(nums);
	nums = NULL;

	return 0;
}

• 正确的方式应该是这样的：

//right example

#include
#include

int main()
{
	int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (nums == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

    //先用一个中间变量temp接受
	int* temp = (int*)realloc(nums, 20 * sizeof(int));
	if (temp == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	
    //当temp有效时，再用nums接受
    nums = temp;
    
	free(nums);
	nums = NULL;

	return 0;
}

最后，再对realloc的具体使用举个例子：

#include
#include

int main()
{
    //先动态开辟40个字节的内存
	int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (nums == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

    //将这块空间初始化为0
	memset(nums, 0, 10 * sizeof(int));

    //将这块空间扩容到60个字节，并先用中间变量temp接受
	int* temp = (int*)realloc(nums, 15 * sizeof(int));
	if (temp == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

    //确定temp有效后再用nums指向temp
	nums = temp;

    //打印扩容后空间的数据
	for (int i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d\n", nums[i]);
	}
	
    //释放内存
	free(nums);
	nums = NULL;

	return 0;
}

output：

0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451
-842150451

3. 常见的关于动态内存开辟的错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
    *p = 20;	//如果p为空指针，就会有问题，一定先要检查返回指针的有效性
    free(p)
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
	}
    for(int i = 0; i <= 10; i++)
        *(p + i) = i;	//当i是10的时候就会越界访问
    
    free(p);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
    int nums[10] = {0};
    free(nums);
}

3.3 对同一块动态内存多次free释放

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
	}
    
    free(p);
    free(p);
}

3.4 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
	}
    for(int i = 0; i < 10; i++)
        *(p + i) = i;	
}

4. 柔性数组（flexible array）

C99中，结构体中的最后一个元素允许是位置大小的数组，这就叫做柔性数组

例如：

typedef struct ST
{
	int i;
	int a[0];	//柔性数组成员,也可以写成 a[];
}ST;

4.1 柔性数组的特点

1. 柔性数组前至少有一个其他成员

2. sizeof返回的结构体大小不包含结构中柔性数组的内存，例如对于上面的代码：

   printf("%d\n",sizeof(ST));
   

   output:

   4
   

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，同样，也可以用realloc进行增容，例如：

   #include
   #include
   
   typedef struct ST
   {
   	int i;
   	int a[];	//柔性数组成员
   }ST;
   
   int main()
   {
   	ST *st1 = (ST*)malloc(sizeof(ST) + sizeof(int) * 10);	//向内存申请大小为结构大小加10个整型的内存空间
   	if (NULL == st1)
   	{
   		perror("malloc");
   		return 1;
   	}
   
   	st1->i = 10;
   
       //给空间赋值
   	for (int i = 0; i < 10; i++)
   		(st1->a)[i] = i + 1;
   	//打印空间元素
   	for (int i = 0; i < 10; i++)
   		printf("%d\n", (st1->a)[i]);
       
       //增容，将内存扩大5个int型
       ST* temp = (ST*)realloc(st1, sizeof(ST) + sizeof(int) * 15);
   	if (NULL == temp)
   	{
   		perror("realloc");
   		return 1;
   	}
       
       st1 = temp;
   
       //打印空间数据
   	for (int i = 0; i < 15; i++)
   		printf("%d\n", (st1->a)[i]);
   
       //释放动态内存
   	free(st1);
   	st1 = NULL;
   
   	return 0;
   }
   

   由上面的分析我们可以看到，我们完全可以在结构体里面创建一个整形指针（其他类型也可以），然后对其进行动态内存开辟就可以完全替代柔性数组的功能，因此柔性数组这一功能并不常用，我们仅作了解即可