【C语言】动态内存管理

一、动态内存分配存在的意义

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

对于这些内存开辟方式有两个特点：

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

这种开辟方式并不能满足我们对空间需求的所有情况，所以便出现了动态内存分配

二、动态内存函数

1、malloc和free

malloc与free都声明在头文件stdlib.h中
malloc

• 功能：向内存申请一块连续可用的空间
• 参数：内存块的大小（以字节为单位）
• 返回值：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
• malloc申请的空间直接返回这块空间的起始地址，不会初始化内容
• malloc申请的内存空间，当程序退出时还给操作系统，当程序不退出时动态申请的内存不会主动释放，需要用free函数来释放

free

• 功能：数用来释放动态开辟的内存
• 参数：指向先前分配空间了的内存块的指针
• 返回值：无返回值
• 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

举例：

#include 
#include 
int main()
{
	//int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(40);

	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//开辟成功
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

2、calloc

• 功能：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
• 参数：要分配的元素数（num）每个元素的大小（size）
• 返回值：
  成功时，指向函数分配的内存块的指针。
  此指针的类型始终为 ，可以强制转换为所需类型的数据指针，以便可取消引用。
  如果函数无法分配请求的内存块，则返回空指针。
• 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

例子：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3、realloc

• 功能：重新分配内存块，更改指向的内存块的大小
• 参数：指向先前分配了内存块的指针（ptr）内存块的新大小（size）
• 返回值：指向重新分配的内存块的指针，该内存块可能与新位置相同，也可能是新位置
• 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：

1. 原有空间之后有足够大的空间，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。

将空间大小改为80字节

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//初始化为1~10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) 
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	//增加一些空间
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//打印数据
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d\n", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

2. 原有空间之后没有足够大的空间，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

将上个代码80改为8000再次调试

三、常见的动态内存错误

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);//不可以
}

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
}

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
}

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);
}

四、c/c++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。

static修饰局部变量

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

1、什么是柔性数组

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
}type_a;

有些编译器会报错，写成下面这种：

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

2、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。

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

3、柔性数组的优势

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。