【C语言进阶】动态内存管理及柔性数组

1.为什么存在内存动态分配

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

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。

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内存开辟了。

下面我们来讲述三种我们常见的动态内存开辟函数

2.malloc和free

2.1 malloc函数功能介绍

void* malloc (size_t size);

函数功能
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。

参数
size是内存块的大小，以字节为单位。
是无符号整数类型-size_t

返回值
void*
成功时，指向函数分配的内存块的指针。
这个指针的类型总是 ，它可以被强制转换为所需的数据指针类型，以便被解引用。
如果函数未能分配请求的内存块，则返回空指针。

2.2 free函数的功能介绍

函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的

void free (void* ptr);

函数功能
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。

参数
指向以前使用 或 分配的内存块的指针

返回值
没有

2.3 代码演示

malloc开辟空间是在堆区开辟空间

#include
#include
int main()
{
	int* p= (int*)malloc(40);//我们要开辟的空间是整形的，所以我们把它强制转换成int型，这个可以根据自己的需求来
	int* ptr = p;//保留指向malloc开辟空间的地址

	if (ptr == NULL)//判断ptr是否是空指针
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		//把错误码记录到错误码的变量中，然后再编译，打印错误信息
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*ptr = i;
		 ptr++;
	}
	free(p);//释放开辟的空间
	p = NULL;//p置为空指针，让p不再是野指针
	return 0;
}

看完这段代码可能会有许多疑问，为啥要保留指向malloc开辟的空间？
当我们用malloc申请空间后，我们要对申请的空间进行释放，如果不释放内存，内存可能就会越占越少以至于不够，所以我们需要free来释放空间，free的参数是刚开始指向空间的起始地址，也就是p指针，如果是参数是ptr，就不能释放开辟的空间，因为ptr++已经改变了ptr原来的地址，所以我们要保留原来的指针对它进行释放。为啥要把p置为NULL呢？，如果我们不把p置为NULL，p里面还是存放着原来的地址，但是p所指向的空间已经被释放，这样p就会变成一个野指针，如果继续访问，就会非法访问，为了防止这样我们就会把它置为NULL.

3.calloc

3.1calloc函数的功能介绍

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数功能
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。

参数
num：要分配的元素数。
size：每个元素的大小，单位字节。

返回值
成功时，指向函数分配的内存块的指针。
这个指针的类型总是 ，它可以被强制转换为所需的数据指针类型，以便被解引用。
如果函数未能分配请求的内存块，则返回空指针。

3.2代码演示

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	//开辟10个元素的空间，每个元素的大小为int型
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

开辟空间初始化为0

4.realloc

4.1realloc函数功能介绍

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

函数功能
更改 所指向的内存块的大小
该函数可能会将内存块移动到新位置（该位置的地址由函数返回）。

参数
ptr ：是要调整的内存地址
如果ptr为空指针（NULL），这是类似于malloc的功能
size：内存块的新大小，以字节为单位。
是无符号整数类型

返回值

指向重新分配的内存块的指针，该块可能与原来位置相同，也可以是新位置。
这个指针的类型是，它可以被强制转换为所需的数据指针类型，以便被解引用

4.2realloc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，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，函数返回原来内存的地址。
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
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，把旧空间的数据拷贝到新空间，释放旧空间的地址。这样函数返回的是一个新的内存地址。

图解

4.3代码演示

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 1;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//增加空间
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	//如果开辟失败，返回的是NULL,要重新设置一个指针
	//如果满足条件，把ptr赋给p指针
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (int i = 0; i < 20; i++)//打印元素
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

5.常见的动态内存错误

5.1对NULL指针的解引用

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
 *p = 20;//如果开辟空间失败，p的值是NULL，对p进行解引用就会有问题
 free(p);
}

所以我门要对p进行判断是否为空指针

5.2对动态开辟空间的越界访问

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
		return 1;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i) = i);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里我们原本是开辟了20个字节，也就是5个整形的大小，但是在循环时，往后打印了20个整数，超出了我们的访问权限，也就是越界访问，原本只能访问5个整形的大小，你直接访问了20个整形的大小，会造成程序报错，这个是跟数组在内存中连续存放一致

5.3对非动态开辟内存使用free释放

#include
int main()
{
	int num = 10;//非动态内存开辟空间
	int* p = #
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

num是非动态内存开辟空间，不能使用free对它进行空间释放。free的使用是与malloc calloc realloc配合进行使用

5.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 0;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

在free释放的时候，p指向的不再是动态内存空间的起始位置。如果要释放malloc开辟的空间，我们要从开辟空间的起始位置开始进行释放，如果p不是空间的起始位置，我们就不能释放空间或是释放空间的一部分。

5.5对同一块内存动态的多次释放

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 0;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	free(p);//重复释放空间
	return 0;
}

对一次开辟空间只需要free一次，一次动态空间开辟对应一次free释放空间。

5.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include
int* get_memory()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	return p;
}
int main()
{
	int* ptr = get_memory();
	//使用

	return 0;
}

函数会返回动态开辟空间的地址，我们要对空间进行释放，否则会导致内存泄漏，上述代码中，malloc开辟空间，free没有释放空间。

6.C/C++程序的内存开辟

C/C++内存分配区域

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。

7.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。

代码演示

//表示1
#include
struct s
{
	int a;
	char ch;
	int arr[0];//柔性数组成员
};

//表示2
struct s
{
	int a;
	char ch;
	int arr[];//柔性数组成员
};

上述有两种柔性数组的表示方法，有时候其中一种表示，编译器无法编译，就需要表示另一种方法

7.1柔性数组的特点

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
3.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。

7.2柔性数组的使用

代码1

#include
#include
struct S
{
	int n;
	float s;
	int arr[];//柔性数组成员
};
int main()
{
	//为结构体成员开辟空间，同时为柔性数组预留空间
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4);
	if (ps == NULL)
		return 1;

	ps->n = 100;
	ps->s = 6.5;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d",&(ps->arr[i]));
	}

	printf("%d %f\n", ps->n, ps->s);

	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//增加柔性数组的空间 ，从16个字节增加到40个字节
	struct S*ptr=(struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + sizeof(int) * 10);
	if (ptr == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else 
	{
		ps = ptr;
	}
	//然后在对新开辟的空间进行使用
	
	//释放空间
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

在对结构体开辟空间时，.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存，也就是没有对柔性数组开辟空间，所以我们要在堆中为结构体开辟空间时，要另外给柔型数组预留一块空间，当我们想增加柔性数组的空间，我们就可以通过realloc来为柔性数组增加空间，这样我们就可以控制它的内存空间，使它可大可小，这也体现出它的柔性。

同样我们也可以设计一下结构体，一样可以实现上面的功能。
代码2

#include
#inlucde<stdlib.h>
struct S
{
	int n;
	float s;
	int *arr;//最后一个成员是指针
};

int main()
{
	//结构体开辟空间
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->n = 100;
	ps->s = 5.5f;

	//为结构体中的arr开辟空间
	int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}

	printf("%d %f\n", ps->n, ps->s);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
     //释放空间
	free(ps);
	ps = NULL;
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	return 0;
}

这里第一个malloc为结构体中的三个成员都开辟了空间，所以这里我们不用另外开辟出一块空间预留出来给第三个成员，第二个malloc是对arr进行增加内存空间，所以他们内存空间不是连续的，而柔性数组的所在的结构体空间是连续的。

7.3柔性数组的优势

从上面的两个代码，可以看出代码1的好处
1.方便内存释放

从上述的代码1中，结构体的内存及其成员的内存是一次性分配好了，所以只需要返回一个结构体指针，只用一次free就可以把所有的内存给释放了。
而代码2中，第一个malloc对结构体做了第一次内存分配，第二次malloc又对结构体中的arr做了一次内存分配，所以我们到最后要free两次，才能把所有的内存给释放了

2.有利于访问速度

代码1中结构体的内存是连续存放的，而代码2中的结构体不是连续存放，这样就会导致内存之间的间隙，从而降低访问速度。

7.4图解演示

下面两个分析，可以让你更加理解两个代码中的结构体是如何分配空间的。