【C语言进阶（11）】动态内存管理

引用头文件

stdlib.h

Ⅰ 存在动态内存分配的原因

内存使用的方式

1. 创建变量(开辟一块独立的空间)

   • 局部变量 -> 栈区。
   • 全局变量 -> 静态区。

2. 创建数组(开辟一块连续的 空间)

   • 局部数组 -> 栈区。
   • 全局数组 -> 静态区。

上述开辟空间的方式有两个特点

1. 空间开辟的大小是固定的
2. 数组在定义的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

存在的问题

• 不能灵活的开辟空间。如果需要的空间很少，但是固定开辟的空间非常大，就会造成内存浪费。如果需要的空间很多，固定开辟的空间很小，就会造成内存不够用的情况。
• 因此就出现了动态内存函数，用来随时更改所开辟的空间的大小。

Ⅱ 动态内存函数

1. malloc

函数原型

void* malloc (size_t size);

函数功能

• 开辟一块 size 个字节大小连续可用的空间，并返回该空间的起始地址。

函数返回值

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的起始地址的指针。
• 如果开辟失败，则返回一个 NULL 指针。因此要检查好 malloc 的返回值。
• 返回值的类型是 void*，在使用指向开辟好的空间的起始地址的指针时，还需要转换成自己需要的指针类型。

函数用例

• 申请一块空间，用来存放 10 个整形。

#include 

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//malloc 返回的是 void* 的指针，需要转换成对应的指针类型才能使用

	return 0;
}

2. calloc

函数原型

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数功能

• 为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把该空间的每个字节初始化为 0。
• 与 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。

函数用例

• 开辟一块具有 10 个元素，每个元素 4 个字节的空间。

3. realloc

函数原型

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

函数功能

• 调整由 ptr 所指向的空间大小为 size 个字节。

函数参数

• ptr：指向由 malloc、calloc 所开辟的空间。
• size：新空间的大小（字节）。

realloc 函数的两种使用情况

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

1. 将 ptr 所指向的空间大小重新调整为 size 个字节。

void* realloc(NULL,size_t size);

2. 开辟一块有 size 个字节的空间。

函数用例

realloc 调整空间的方式

realloc在调整内存空间时存在两种情况

1. 情况 1：原有空间之后有足够大的空间，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，返回旧地址。

2. 情况 2：原有空间之后没有足够大的空间，realloc 会重新找一个内存区域开辟一块符合要求的空间，返回新地址，拷贝旧数据，释放旧空间。

4. free (重要)

函数原型

void free (void* ptr);

函数参数

• ptr：指向先前用 malloc、calloc、realloc 分配的内存块的起始地址。

函数功能

• 释放由 ptr 指向的动态开辟的空间。

函数用例

• 释放由各个动态内存函数所开辟的空间。

int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	int* p2 = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	int* p3 = (int*)realloc(NULL, sizeof(int) * 10);
	
	//......
	
	free(p1);
	free(p2);
	free(p3);

	return 0;
}

注意事项

• free 会将指针指向的空间释放掉，但是不会改变指针内存放的地址值。
• 也就是说，即使 free 掉了 p1 p2 p3 三个指针所指向的空间，这三个指针依然记得原先空间的起始地址。
• 因此释放掉指针所指向的空间之后，还必须要将该指针变量的值置为 NULL。

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

	//......

	free(ptr);	//释放掉ptr指向的空间后，ptr内存的地址值未变，还是记得原来空间的地址
	ptr = NULL;	//因此要主动修改ptr内存放的地址值为NULL
	
	return 0;
}

Ⅲ 常见动态内存错误

1. 对 NULL 指针的解引用操作

• 在使用之前未判断动态内存函数的返回值是否是 NULL，如果内存开辟失败返回的是 NULL，就成了对 NULL 指针的解引用操作。

int* p = (int*)malloc(40);
*p = 20;//使用前为判断指针 p 内的值是否有效

正确做法

int* p = (int*)malloc(40);

if (NULL == p)	//使用之前先判断该空间是否开辟成功
{
	return 1;	//1 为异常返回
}

*p = 20;

2. 对动态开辟空间的越界访问

• 动态申请的空间也有着自己的范围，不能无限制的使用。

int* p = calloc(10, sizeof(int));

if (NULL == p)
{
	perror("calloc");
	return 1;
}
	
for (int i = 0; i <= 10; i++)//当 i 到 10 时越界访问
{
	printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;

3. 对非动态开辟内存使用 free 释放

• free 只能释放由 malloc、calloc、realloc 开辟的空间。

4. 使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

• 指向开辟空间起始地址的指针产生变动，没有从动态开辟内存的起始地址开始释放空间。

5. 对同一块动态内存多次释放

• 忘记了已经释放过动态开辟的空间，又重新释放了一遍。

int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//......
free(p);//此时已经释放过该空间一次
//.....
free(p);//睡蒙了又释放一次

解决办法

• 在释放完动态开辟好的内存后，及时将该指针置为 NULL。之后如果再重复释放也不会产生问题。

6. 动态开辟内存没有释放（内存泄漏）

• 只记得申请空间，不记得还。

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//p 是局部变量，出了作用域就销毁，等这个函数一结束就没人再记得这块空间的起始地址了

	if (true)//此时动态开辟的空间永远没机会释放了
	{
		return;
	}

	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
	test();
	return 0;
}

Ⅳ 柔性数组

• 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 S
{
	char c;
	int i;
	int arr[];	//未知大小数组 - 柔性数组成员
};

柔性数组的特点

• 结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
• sizeof 返回的这种结构体大小不包含柔性数组成员的大小。
• 包含柔性数组成员的结构体用 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体的大小，以适应柔性数组的预期大小。

struct S
{
	char c;
	int i;
	int arr[];
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20);
	//这 20 个字节才是分配给柔性数组 arr 的

	return 0;
}