动态内存管理（C语言进阶版）
作者简介 ：RO-BERRY
学习方向：致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识
日后方向 : 偏向于CPP开发以及大数据方向，欢迎各位关注，谢谢各位的支持
现在的偷懒会在以后还给你，只有多学多做才不负韶华，在默默无闻的地方发芽开花
动态内存管理
- 前言
- 1.动态内存函数的介绍
-
- 1.1 malloc和free
- 1.2 calloc
- 1.3 realloc
- 2.常见的动态内存错误
-
- 2.1 对NULL指针的解引用操作
- 2.2 对动态开辟空间的越界访问
- 2.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 2.5 对同一块动态内存多次释放
- 2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 3. 几个经典的笔试题
-
- 3.1 题目1：
- 3.2 题目2：
- 3.3 题目3：
- 3.4 题目4：
- 4. C/C++程序的内存开辟
- 5. 柔性数组
-
- 5.1 柔性数组的特点：
- 5.2 柔性数组的使用
- 5.3 柔性数组的优势
前言
我们已经掌握的内存开辟方式有：
但是上述的开辟空间的方式有两个特点：
- 空间开辟大小是固定的。
- 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存开辟了。
1.动态内存函数的介绍
1.1 malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
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。
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，函数原型如下：
void free (void* ptr);
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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
如果我们一开始不知道我们需要给数组给多大，如果给大了，内存会浪费，给小了，会存不下
举个例子：
#include
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num); //理论上我们使用num来存放我们想要的数组大小
int arr[num] = { 0 }; //我们可以在程序里面输入大小，也方便
return 0;
}
可是这样是不符合C语言标准的
编译器说我们的表达式必须为常量值，不能是变量
这时候我们就应该使用我们的动态开辟函数：malloc
#include
#include
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int)); //malloc申请了num个int大小的字节
if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 //而malloc返回值为void*，我们需要将其转成int*
{
int i = 0;
for (i = 0; i < num; i++)
{
*(ptr + i) = 0；
}
}
free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;
return 0;
}
malloc在申请了空间后，直接返回这块空间的起始地址，而且是不会初始化内存空间的
我们使用malloc开辟了空间，使用完了之后一定要free掉，它是不会自己还给内存空间的
这里有人会问，ptr指向的动态内存都释放了，我们还需要将ptr赋值为空(NULL)吗?
答案是肯定的，这是我们使用动态内存分配的必不可少的一步，我们将ptr指向的动态内存释放了，那么我们的ptr指向的是什么呢？ptr指向的空间没有了，那么ptr就成了野指针，为了防止这种情况，我们需要将ptr指向空
1.2 calloc
C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
- 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。
举个例子：
内存开辟成功了
我们可以看到内容都被初始化为0了
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。
1.3 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。
函数原型如下：
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：
- 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，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，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。这样函数返回的是一个新的内存地址。由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
举个例子：
#include
#include
#include
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(100);
if (ptr != NULL)
{
//业务处理 失败即为空指针
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//扩展容量
//代码1
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//我们将申请的空间初始化为1000，这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2
int* p = NULL;
p = (int*)realloc(ptr, 1000);
if (p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}
我们来运行代码看看详细：
当我们初始化ptr后，可以看到ptr指向的内存空间地址是 0x000001931e9d34a0
让我们relloc多开辟一些空间：
程序往下面走
我们可以清楚的看到。ptr指向的内存空间地址发生了改变，从 0x000001931e9d34a0变成了 0x000001931e9da2e0
为什么指向的内存空间地址会发生改变呢？
让我们来画图看看：
2.常见的动态内存错误
2.1 对NULL指针的解引用操作
让我们来看一段代码：
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);
}
在这段代码里，我们的malloc是可能会返回空指针的，也就是说p有可能指向NULL,我们在下面使用*p解引用的时候，对空指针解引用是会出现问题的，所以我们需要进行检查
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
if (p != NULL)
{
*p = 20;
}
//*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
2.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
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);
}
2.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//ok?
}
free函数是只能进行动态开辟的空间释放的，因为他们是存在不同的空间里
2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
free不可以只释放申请空间里的一部分，只能整个free
2.5 对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
3. 几个经典的笔试题
3.1 题目1：
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
我们最终可以打印出来str吗？如果不能程序会出现什么状况呢？
让我们来看看结果：
程序无法运行
这是为什么？
我们的p指向了一块空间，与str完全没有关系，str依然指向的是空指针，最后就造成了str的空指针访问
这个程序有两个问题：
- 对NULL指针进行了解引用操作，程序会崩溃
- 没有释放空间，内存泄漏的问题
3.2 题目2：
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
语法没有问题但是输出的是我们的烫烫烫哥，我们以前说过，只有乱码的时候才会输出我们的烫哥，今天为什么会输出我们的烫哥呢？
我们再来看一看程序：
所以我们的str为一个野指针，输出的结果也就是我们的烫烫烫哥
3.3 题目3：
void GetMemory(char **p, int num) //使用二级指针接受str的地址
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
似乎好像一切正常啊，也能正常输出，其实还是有问题的，那就是我们没有释放空间，没有free掉，这种错误是程序不会报错，但是会影响结果的。
我们要注意
3.4 题目4：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
在这里，我们的代码在很早就free掉了str，而系统是不会自动将str置为NULL的，所以程序能走进if语句中，但是str的内容早就已经释放掉了，自然会报错，我们正确的解法应该是在free之后，自动将str赋值为NULL，以防变成野指针
4. C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。
- 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。
- 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。
- 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的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。
5. 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。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
有些编译器会报错无法编译可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
5.1 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。
- 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;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
5.2 柔性数组的使用
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
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。
5.3 柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为：
#include
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
}
上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：
- 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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）