【C语言】动态内存管理

细草微风岸，危樯独夜舟。星垂平野阔，月涌大江流。名岂文章著，官应老病休。飘飘何所似，天地一沙鸥。 — 唐代·杜甫《旅夜书怀》

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这篇博客我们会详细介绍动态内存管理的内容比如动态内存函数的介绍，动态内存错误，一些题目和柔性数组。

动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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：

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。

//当我们不释放动态申请的内存的时候 
//如果程序结束，动态申请的内存由操作系统自动回收 
//但是如果程序不结束72小时在跑，动态内存是不会自动回收的，
就会形成内存泄露的问题

1.2calloc
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：

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

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 。

1.3 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。
函数原型如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
● ptr 是要调整的内存地址 (如果ptr是NULL，那么这个函数跟malloc其实是一样的)
● 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. 情况1：原有空间之后有足够大的空间
2. 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。
举个例子：

int main()
{
	int*p = (int*)malloc(40);
	
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
	}

	//空间不够，希望能放20个元素，考虑扩容
	int*ptr = (int*)realloc(p, 80);
	//这里要注意不能直接用p=(int *) realloc(p,80);
	//为什么？因为realloc是可能开辟失败的，我p本来指向malloc开辟的空间
	//你realloc扩容失败要返回NULL怎么办？我不就不仅连realloc扩容都没有成功
	//而且malloc开辟的内存地址也丢了吗？
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;  
	}

	//扩容成功了，开始使用

	//不再使用，就释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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(INT_MAX/4);
 *p = 20;
 free(p);
}

这里的问题是，没有考虑到malloc开辟失败的情况。如果失败malloc就会返回NULL，从而对NULL发生解引用，在C语言中，对空指针解引用会触发段错误（Segmentation Fault）或访问违规（Access Violation）的错误。
//解决办法：对malloc函数的返回值进行判断

//if (p == NULL)
//{
//	//....
//	return 1;
//}
或者assert(p);

对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int i = 0;
	if (p == NULL)
	{
		//....
		return 1;
	}

	for (i = 0; i <= 25; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}

	return 0;
}

越界访问了这里是26次应该是25次

对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 10;

	int* p = &a;
	//.....

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

我们在最开始就说过了。

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放空间
	free(p);//err   
	p = NULL;

	return 0;
}

这里的问题就是p已经不在最开始的位置了，而free必须freemalloc开辟内存的起始位置。

对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = malloc(100);
	if (p == NULL)
		return 1;
	
	free(p);
	//....
	free(p);//err 会报错

	p = NULL;

	return 0;
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = malloc(100);
	//使用
	if (1)
		return;

	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
	test();
	//.....
	while (1)
	{
		;
	}

	return 0;
}

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 。

经典的题目

一

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

我们看看这个题目有什么问题，能打印"hello world"吗？
肯定是不行的为什么呢？
这里 GetMemory(str);传的是str这个变量的值，而这个函数void GetMemory(char *p)的p只是对实参的y一份临时拷贝。所以str的值根本就不会发生改变还是NULL，而我们知道strcpy的函数实现是需要对实参的地址解引用的，所以这里会对NULL解引用，会出现错误。
在C语言中，对空指针解引用会触发段错误（Segmentation Fault）或访问违规（Access Violation）的错误
正确的改动—

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

二

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

这个题目能打印"hello world"吗？
分析

我们看到str最后的值其实是数组的地址，那么这里能打印吗？
其实是不行的，因为这个数组是在函数里面创建的，这个函数的栈帧已经销毁了，数组也被销毁了，再去访问这个地址就会形参野指针。

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);
}

我们看看这个题目：
能不能打印 "hello"呢？
是可以的，这里传的是str的地址，解引用通过地址可以改变str变量的值，
还有一点malloc申请开辟的内存空间于函数不一样，函数是执行完成后就将一些变量的空间销毁，而malloc开辟的空间是直到程序结束才被收回。
所以应该这样改

void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);

//	//忘记释放 
//	free(str); 
//	str = NULL;
}

四

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

这里有什么错误呢？
这里不是释放了动态内存函数申请的空间吗？
其实确实有问题，
我们释放完malloc申请的空间后，str应该置为NULL,否则str还会记住这个地址，而if(str != NULL)这条语句就会执行，strcpy在执行过程中就会解引用str的地址，从而会发生野指针。

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。

struct S1
{
	int num;
	double d;
	int arr[];//柔性数组成员
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

struct S2
{
	int num;
	double d;
	int arr[0];//柔性数组成员
	
};

看这个代码

struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
		printf("%d\n", sizeof(struct S3));


	return 0;
}

为什么是4呢？

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。

柔性数组的使用

struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{                                             //4      + 40
	struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3)+40);
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	ps->num = 100;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//for (i = 0; i < 10; i++)
	//{
	//	printf("%d ", ps->arr[i]);
	//}

	//扩容
	struct S3* ptr = (struct S3*)realloc(ps, sizeof(struct S3)+80);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc\n");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}

	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	//
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

柔性数组的优势 :


对比一下这两种方法，明明感觉都是一样的为什么还要有柔性数组的概念呢？
其实用柔性数组开辟的动态内存是与结构体的上一个成员连续的，
而用指针开辟的就不是连续的。


那有什么好处呢？
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）

总结

这篇博客是对动态内存管理比较详细的介绍，希望能帮助到你查漏补缺。 完(๑′ᴗ‵๑)