动态内存管理
一，为什么存在动态内存分配
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int i = 20;//在栈空间上开辟4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面的开辟空间的方式有两个特点：
1，空间开辟大小是固定的。
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。
但对于空间的需求，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，这时就需要动态内存函数开辟空间了，动态内存函数有 malloc , free , realloc, calloc,这些函数都存放在堆区。
二，动态内存函数的介绍
2.1 malloc 和 free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数malloc,原型如下
void * malloc ( size_t size ); //size 以字节为单位
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 的行为是否是未定义的，返回值取决于取决于编译器
- 新分配的内存块的内容未初始化，保留不确定的值。
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，原型如下
void free ( void * ptr );
free函数是用来释放动态开辟的内存，ptr指向先前分配有内存块的指针。
- 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。
应用实例：
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//申请40个字节，用来存放10个整型
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno)); //strerror 头文件是
return 1; //errno 头文件是
}
//存放1~10
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", *(p + i)); //打印结果： 1 —— 10
}
//free是释放申请的内存
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 2.2 calloc
函数calloc也用来动态内存分配。原型如下：
void * calloc ( size_t num , size_t size );
其中 num 表示要分配的元素数量，size 表示每个元素的大小。
- 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的区别是只在于 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,其他一样。
例如:
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int* p = (int *)calloc(4, sizeof(int));
if ( p = NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno)); //strerror 头文件是
return 1; //errno 头文件是
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
printf("%d\n", *(p + i)); //打印结果： 0 0 0 0
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 2.3 realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活，有时候我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又觉得申请空间过大了，那为了合理的使用内存，我们就可以使用 realloc 函数对内存的大小做出调整。函数原型如下：
void * realloc ( void * ptr , size_t size );
- ptr 是要调整的内存地址
- size 是调整之后的大小
- 这个函数调整原内存函数大小的基础上，还会将原来函数内存中的数据移动到新的空间。
- realloc 在调整内存空间中有两种情况：第一种情况：
- 原有空间后面有足够大的空间可以扩容，直接在后面续上新的空间，返回旧的起始地址。
- 另一种情况：原有空间后面没有足够大的空间可以扩容，函数会找到一个满足空间大小的新的连续空间，把旧空间的数据拷贝到新空间的前面，并且把就空间的地址释放掉，同时返回新的空间地址。
实例如下：
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); //申请20个字节
if (NULL == p)
{
perror("malloc");//将错误信息打印到屏幕上
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = 1;
}
//增加5个整型的空间
int* prt = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
for ( ; i < 10; i++)
{
*(prt + i) = 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", *(prt + i)); //打印结果全为1
}
free(prt);
prt = NULL;
return 0;
} 三，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);
p = NULL;
}
3.2 对动态开辟空间的越界访问
void test2()
{
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);
}
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test3()
{
int a = 0;
int* p = &a;
free(p); //动态内存错误
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test4()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
p++;
free(p); //动态内存错误
}
3.5对同一块动态内存多次释放
void test5()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
free(p);
free(p); //动态内存错误
}
3.6 动态开辟内存忘记释放 （内存泄漏）
void test6()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test(); //动态内存错误。
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
注意：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。
五，c/c++程序的开辟
c/c++程序内存分配的几个区域：
1，栈区（stack): 在执行函数时，函数内部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。
观察上面的图，我们也可以理解static关键字修饰局部变量的例子了。
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修饰的局部变量存放在数据段（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。
六，柔性数组
在c99中，结构体中的最后一个变量允许是未知大小的数组，这就叫做【柔性数组】的成员。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
6.1 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。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//结果是4
return 0;
}- 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。
6.2柔性数组的使用
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//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; //用a[]装100个数
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。再举一个例子来完成上面的代码实现。
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;//柔性数组
}type_a;
int main()
{
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
free(p->p_a);//释放柔性数组的内存
p->p_a = NULL;
free(p); //释放p的内存
p = NULL;
return 0;
}这上面的两种代码都可以完成同样的功能，但是最上面的代码有两个好处：
- 方便内存释放。
- 有利于访问速度。
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情，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。另外，连续的内存有益于提高访问数度，也有益于减少内存碎片。