动态内存管理(C语言)

1. 为什么存在动态内存管理

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

但上述开辟内存的方式有两个特点

• 空间开辟大小是固定的
• 数组在声明时必须指定数组的长度，他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。

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc函数和free函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数

void* malloc (size_t size)

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，则会返回NULL(空指针)，因此malloc函数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，具体在使用时使用者自己决定
• 如果size等于0，这种行为C标准没有定义，具体取决于编译器

C语言还提供了另一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的

void free (void* ptr)

• 如果ptr指向的空间不是动态开辟的，那么free的行为C语言并没有定义，而是取决于编译器
• 如果参数ptr是空指针(NULL)，则该函数什么都不做

头文件: stdlib.h

#include 

int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 
 //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;
}

注意:

• malloc一定要和free搭配使用，用完切记要释放内存
• ptr=NULL是十分有必要的，避免ptr成为野指针
• malloc函数只负责分配内存，并不会将内存中的值初始化为0，里面是一些随机值

2.2 calloc函数

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，并且把空间的每块区域初始化为0

#include 
#include 
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
  }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

2.3 realloc函数

• 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

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
• realloc在调整内存空间的是存在两种情况

1.原来空间后面有足够大的空间
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

2.原来的空间后面没有足够大的空间
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。

由于上述两种情况,在使用realloc函数时就要注意

#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);
 return 0;
 }

注意: 不能用之前的指针直接指向realloc函数扩展的新空间，因为如果扩展失败，返回空指针，那么意味着之前的空间找不到了，就导致内存泄漏，正确的做法是新创建一个指针去接收，如果该指针不为空，再将地址赋给原来的指针

3. 常见的动态内存错误

3.1 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);
}

解决这个问题的方法是，申请完的空间，在使用前一定要判断不为空，在使用

3.2 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);
}

解决这个问题的方法是，在访问时自己心里看清楚有没有越界，在执行程序

3.3 对非动态开辟内存使用free函数

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

这种做法也是错误的，free只能释放动态开辟的内存，解决方法是释放的时候看清楚

3.4 使用free释放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
}

free函数只能释放一整个动态开辟的内存，不能从中间某个位置开始释放
使用时要注意

3.5 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
}

free只能释放一次动态开辟的内存，不能多次释放，使用时要注意哦

3.6 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);
 }

p指针是局部变量，当调用完test函数时，指针被销毁，但申请的空间还在，但没有之前的指针也就无法在访问这块地址，这就导致内存一直被占用，其他程序也无法使用，这就是内存泄漏问题

切记: 申请的空间在使用完毕后一定要正确的释放

4. 几道经典的笔试题

4.1 题目一

void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);
}

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

上面的程序test()函数执行会发生什么情况

GetMemory(str);将str的值传递给char*类型的指针p，由于传的不是地址，所以指针p和指针str指向的是不同的地址，对于str来说地址里的值仍然是NULL，对一个NULL去复制，程序就会崩溃

4.2 题目二

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

void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

请问执行Test()函数会发生什么

str = GetMemory();这句话调用了GetMemory()函数，并用char*指针接收该函数的返回值，但char p[]数组是在该函数内部创建的，虽然可以将数组p的地址返回给str，但当str拿对应的地址去访问p之前的空间时，这片空间已经被操作系统回收了，所以就属于非法访问了，打印出来是一些乱码

4.3 题目三

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

这道题看上去没什么大问题，但是有一个细节，在使用完动态开辟的内存后没有及时释放free()，导致内存泄漏

4.4 题目四

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

这道题问题在于，在free完之后没有及时将指针str即使置NULL，所以导致下面的if语句被执行，但str开辟的空间已经被释放掉，所以也属于非法访问了，但是由于我们进行的是字符串的拷贝,所以world还是会被拷贝到当前地址，并成功输出，但我们要知道这实际上是错误的

5. 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(操作系统)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。

6. 柔性数组

6.1 为什么需要柔性数组

我们平时在VS上只能指定长度固定的数组，而不能灵活去改变数组的长度，而且在定义一个数组时，[ ]括号中必须是常量，那么我们如果事先不知道要创建大小为多少的数组时应该怎么办?此时就需要C语言提供的另一种方式，即柔性数组

6.2 柔性数组的定义

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;

//有些编译器不支持上述写法，可以按照下面来定义

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

6.3 柔性数组的使用

#include 
struct Stu {
	int num;
	int grade[];
};
int main()
{
	struct Stu* p = (struct Stu*)malloc(sizeof(struct Stu) + 20);
	if (p != NULL)
	{
		p->num = 100;
		for (int i = 0;i < 5;i++)
		{
			p->grade[i] = i+1;
			printf("%d\n", p->grade[i]);
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

在内存中num和grade在一个开辟的动态内存中

6.4 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。

6.5 柔性数组的优势

上述代码还可以设计为

#include 
struct Stu {
	int num;
	int* ptr;
};

int main()
{
	struct Stu* p = (struct Stu*)malloc(sizeof(struct Stu));
	if (p != NULL)
	{
		p->ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*5);
		if (p->ptr != NULL)
		{
			for (int i = 0;i < 5;i++)
			{
				p->ptr[i] = i + 1;
				printf("%d\n", p->ptr[i]);
			}
		}
	}
	free(p->ptr);
	p->ptr = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
}

两者的区别在于在内存中的分布不同

情况一:

这种情况结构体变量是在栈中创建的，柔性数组是在堆中创建的

情况二:

这种情况结构体和动态开辟的数组都是在堆上存储

第一种是通过柔性数组来实现，第二种是通过普通的指针来实现，我们来看看柔性数组的优势

• 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