【C语言进阶】动态内存管理
动态内存管理
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- 1.为什么存在动态内存分配
- 2.动态内存函数的介绍
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- 2.1malloc和free
- 2.2calloc
- 2.3realloc
- 3.常见的动态内存错误
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- 3.1 对NULL指针的解引用操作
- 3.2 对动态开辟空间的越界访问
- 3.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 3.5 对同一块动态内存多次释放
- 3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 4.几个经典的笔试题
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- 4.1 题目1：
- 4.2 题目2：
- 4.3 题目3：
- 5. C/C++程序的内存开辟
- 6.柔性数组
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- 6.1 柔性数组的特点
- 6.2 柔性数组的使用
- 6.3 柔性数组的优势
1.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 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
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。
2.动态内存函数的介绍
2.1malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
1，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。
2，如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
3，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。
4，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。
5，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。
1，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。
int main()
{
int a = 10;
int* ptr = &a;
free(ptr);//err
return 0;
}
2，如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
代码案例：
#include运行结果：
2.2calloc
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);
1，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。
2，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。
#include 
2.3realloc
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);
1,ptr 是要调整的内存地址
2,size 调整之后新大小
3,返回值为调整之后的内存起始位置。
4,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
代码案例：
#include运行结果：
3.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);
}
先检查是不是空指针
3.2 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
//对动态开辟空间的越界访问
for (i = 0; i < 20; i++)
{
p[i] = i;//越界访问
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
//3. 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
printf("%d\n", *p);
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//4. 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i;
p++;//p++已经不是指向起始位置
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.5 对同一块动态内存多次释放
//5. 对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
//使用
free(p);
p = NULL;
free(p);
return 0;
}
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
4.几个经典的笔试题
4.1 题目1：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);//传值，临时拷贝
strcpy(str, "hello world");//对空指针str解引用
printf(str);
//未释放
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
改正：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);//传址
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
//释放
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
4.2 题目2：
char* GetMemory(void)
{
static char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();//GetMemory()已被释放，str指向野指针，非法访问（返回栈空间地址问题）
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
引例子：
int* test()
{
int a = 10;
return &a;
}
int main()
{
int* p = test();
printf("hehe");
printf("%d\n", *p);
return 0;
}
运行结果：
4.3 题目3：
void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//未释放
}
5. 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。
6.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：
struct S
{
int n;
int arr[];//柔性数组
};
struct S
{
int n;
int arr[0];//柔性数组
};
6.1 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。
6.2 柔性数组的使用
代码案例：
struct S
{
int n;
int arr[0];//柔性数组
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
ps->n = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i + 1;
}
//空间不够，需要增容
struct S* ptr = realloc(ps, sizeof(struct S) + 60);
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
ps = ptr;
ps->n = 15;
for (i = 0; i < 15; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
6.3 柔性数组的优势
另一种方法实现，柔性数组效果：
代码演示：
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
{
perror("malloc->ps");
return 1;
}
ps->n = 100;
ps->arr = (int*)malloc(40);//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
if (ps->arr == NULL)
{
perror("malloc->arr");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i + 1;
}
//调整
int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);
if (ptr != NULL)
{
ps->arr = ptr;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
//打印
for (i = 0; i < 15; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
对于柔性数组来说：
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）
不知不觉，【C语言进阶】动态内存管理以告一段落。通读全文的你肯定收获满满，让我们继续为C语言学习共同奋进!!!