动态内存管理＜C语言＞

✨Blog：不会敲代码的小张:)
推荐专栏：C语言、Cpp‍️、数据结构初阶
座右铭：“記住，每一天都是一個新的開始”
本章内容：《C语言动态内存管理》的介绍✨

动态内存函数介绍

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

上述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。这时候就体现出了动态内存开辟的价值。

malloc和free

动态内存开辟原型：

void* malloc (size_t size);

这个函数的作用是向堆区申请一块连续的空间，并返回指向这段空间的指针。

• 如果开辟成功则返回开辟空间的指针
• 如果开辟失败则返回一个NULL指针，所以malloc以后记得要判断是否为NULL指针，如果是空指针则表示开辟空间失败。
• 返回值是void*，因为malloc函数不知道使用者要开辟什么类型的空间，所以决定权交给使用者来决定。
• 参数size_t size，则表示需要开辟多大的空间，以字节为单位。

空间释放函数：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存，如果动态内存开辟完空间，到程序结束都没有释放，那就会造成内存泄漏。所以malloc和free函数是配对使用的。
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。

例子：

#include 
#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			ptr[i] = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;
	return 0;
}

这段代码的意思就是有一个ptr的指针指向一段10个整形的动态开辟空间，如果prt不为空，说明开辟成功，那我们for循环10次，每次依次把指向空间的值给掷成0，最后把ptr指向的空间释放掉，然后ptr赋成空指针，养成一个良好的习惯，做到有始有终。

calloc

calloc 函数也用来动态内存分配

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能和malloc的区别在于，calloc开辟的空间会把每个字节都初始化为0

• num代表要开辟的个数。
• size代表每个个数的大小是多大。
  例子：

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10000000000000000, sizeof(int));
	//如果p==NULL说明空间开辟失败
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc fail");
		return;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

可以看到上述代码，全被初始化成了0。

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。

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。

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

1. 原有空间之后有足够大的空间（原地扩容）
   

2. 原有空间之后没有足够大的空间（异地扩容）
   

例子：

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr == NULL)
    {
        perror("malloc fail");
        return;
    }
    //扩展容量
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
    if(ptr == NULL)
    {
    	perror("malloc fail");
    	return;
    }
    free(ptr);
    return 0;
}

先来看看上面的代码好不好，如果不好哪里不好？
那么拿已经malloc了空间的ptr指针作为接收返回值，如果申请失败realloc则会返回空指针，把空指针赋值给ptr不仅原本来的数据没了，还会造成内存泄漏，所以这种写法是不对的。

正确的代码应该这样写：

    int* p = (int*)realloc(ptr, 1000);
    if (p == NULL)
    {
        perror("realloc fail");
        return;
    }
    ptr = p;
    free(ptr);
    ptr = p;

新创建一个指针变量来接收realloc的返回值，如果是NULL指针直接返回，如果不是则把新指针给ptr。

常见的动态内存错误

内存泄漏

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

不完全释放空间

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

对非动态内存空间进行释放

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);
}

以上代码都是常见错误，还有很多常见的错误，我就不一一列举了，谨记勿犯！规范使用。

经典笔试题

void GetMemory(char *p)
{
	p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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

以上代码的结果是什么？
太简单了，我不说大家应该都会

C/C++程序的内存开辟

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）：一般由使用者分配释放， 若使用者不释放，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。
   

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。
但是至今为止，市面上有些编译器还没有支持柔性数组。

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。

使用：

typedef struct Fortest
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}A;

int main()
{
	int i = 0;
	A* p = (A*)malloc(sizeof(A) + 100 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc fail");
		return;
	}
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;//初始化柔性数组
	}
	free(p);
	return 0;
}

柔性数组的优势:

1. 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。
2. 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。