动态内存管理

 

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为什么要用动态内存开辟

动态内存有关函数

void* malloc (size_t size);

void free (void* ptr);

 void* calloc (size_t num, size_t size);

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

 C/C++程序的内存开辟

柔性数组

特点：

 柔性数组的使用：

• 为什么要用动态内存开辟

我们知道C语言内存开辟的方式有：

int a = 0;//全局变量
void test()
{
	static int d = 0;//静态变量
}
int main()
{
	int b = 0;//局部变量
	char c[10] = { 0 };//局部变量
	return 0;
}

用上述方式开辟空间存在几个问题：

1、空间大小固定，不可变；

2、数组在创建时必须指定长度或初始化（初始化之后长度也就固定了），它所需要的内存在编译时分配。

但在实际应用时，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。因此也就有了动态内存开辟的用处。

• 动态内存有关函数

• void* malloc (size_t size);

• 这个函数向内存申请size个字节连续可用的空间，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的行为是未定义的，取决于编译器（注意：是未定义的，而不是不能，如果这样使用会出现一些未知的问题）。

要注意的是动态开辟的空间不会主动释放和回收，因此C语言提供了free()函数专门用来做动态内存函数的回收和释放，free()函数原型如下：

• void free (void* ptr);

• free函数专门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

有如下代码：

int main()
{
	int num = 0, i = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = i + 1;
		}
	}
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//避免出现野指针
	return 0;
}

运行结果：

•  void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函数的功能是开辟 num 个大小为 size（字节） 的一块连续的空间，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。

 有如下代码：

int main()
{
	int* p1 = malloc(40);
	if (p1 != NULL)
	{
		
	}
	int* p2 = calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p2)
	{
		
	}
	free(p1);
	free(p2);
	p1 = NULL;
	p2 = NULL;
	return 0;
}

 调试代码，观察p1、p2指向空间中存储的数据：

 可以发现，用malloc开辟的空间是没有初始化的，里边的值是随机的，而用calloc开辟的空间是已经初始化过的了，里边全是0。

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。
 realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

• 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    注意：当ptr为NULL时，realloc执行malloc的功能 

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，要扩展内存就直接在原有内存之后追加空间，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，并把原空间的数据拷贝进新空间中之后释放原空间，再返回新空间的地址。

有如下代码：

int main()
{
	int* ptr1 = (int*)malloc(10);
	if (ptr1 == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	printf("%p\n", ptr1);
	int* p1 = NULL;
	p1 = (int*)realloc(ptr1, 20);
	if (p1 == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	ptr1 = p1;
	printf("%p\n", ptr1);

	int* ptr2 = malloc(100);
	if (ptr2 == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	printf("%p\n", ptr2);
	int* p2 = NULL;
	p2 = realloc(ptr2, 1000);
	if (p2 == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	ptr2 = p2;
	printf("%p\n", ptr2);
	free(ptr1);
	free(ptr2);
	return 0;
}

运行结果：

 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回收 。分配方式类似于链表。
3. 数据段（静态区）：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。

柔性数组

结构体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：

struct st_type1
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
};
struct st_type2
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
};

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;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(type_a));
	return 0;
}

运行结果：

 柔性数组的使用：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

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。
柔型数组的优势：

typedef struct st_type1
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

typedef struct st_type2
{
	int i;
	int* p_a;
}type_b;

int main()
{
	//代码1
	int i = 0;
	type_a* p1 = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	p1->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p1->a[i] = i;
	}
	free(p1);

	//代码2
	type_b* p2 = malloc(sizeof(type_b));
	p2->i = 100;
	p2->p_a = (int*)malloc(p2->i * sizeof(int));
	//业务处理
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p2->p_a[i] = i;
	}
	//释放空间
	free(p2->p_a);
	p2->p_a = NULL;
	free(p2);
	p2 = NULL;
	return 0;
}

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 代码1 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。