【零天赋C语言】——详解动态内存管理

前言：

上面这种开辟空间的方式： 空间开辟的大小是固定的，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。这种开辟空间的方式有一定的局限性，所以这篇文章带你深入学习动态内存的开辟。

目录

一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc 和 free

1.1.1 malloc函数的使用

1.1.2 free函数的使用

 1.1.3 使用例子

2.2 calloc函数

 2.3 realloc函数

 二、常见动态内存错误

2.1 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的释放

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存释放）

四、C/C++程序的内存开辟

五、柔性数组

5.1 柔性数组的特点：

5.2 柔性数组的使用和优势

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一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc 和 free

1.1.1 malloc函数的使用

malloc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得到行为是标准为定义的，取决于编译器。

1.1.2 free函数的使用

 free函数用来释放动态开辟的空间。

• 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那free的行为是未定义的。
• 如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事也不做。

 1.1.3 使用例子

#include 
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = i；
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//防止出现野指针
	return 0;
}

2.2 calloc函数

 函数的使用：

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会返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。

例：

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 2.3 realloc函数

realloc函数的使用：

1. realloc函数可以更改动态内存，让动态内存管理更加灵活。
2. memblock是要调整的内存地址。
3. size是调整之后的新大小。
4. 返回值为调整之后的内存起始位置。
5. 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。

注：realloc在调整内存空间时是存在两种情况的：

情况一：

当原空间有足够大的空间，扩展时就直接在原有内存之后追加空间，原来空间的数据不会发生改变。

情况二：

当原空间没有足够大的空间时，扩展时就在堆区上找另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

例：

#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//需先判断是否开辟成功
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

 二、常见动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

例：

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
    *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题，这里需要先进行判空
    free(p);
}

改正：

#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
        *p - 20;
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	
	free(p);
	return 0;
}

3.2 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);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

3.4 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++;

     //p的释放必须是首地址
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

 3.5 对同一块动态内存多次的释放

void test()
{
     int *p = (int *)malloc(100);

     free(p);
     free(p);//重复释放
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存释放）

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。

四、C/C++程序的内存开辟

 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储存单元自动被释放。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； 

 通过上图我们就可以更好地理解static关键字在修饰局部变量的例子了：

1. 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。
2. 但是被static修饰的变量存放在数据区（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，生命周期变长。

五、柔性数组

在C99中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，叫做柔性数组成员。

例：

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：

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。

例：

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 柔性数组的使用和优势

例：

//代码1
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);

注：这样的柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

上面的type_a也可以设计为：

//代码2

#include
typedef struct st_type
{
	int i;
	int* pa;
}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;
	return 0;
}

虽然上述的代码1和代码2可以完成相同的功能，但是代码1（柔性数组）的实现有两个好处：

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：提高访问速度

连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。