动态内存管理---C语言
目录
- 1.动态内存分配
- 2.动态内存函数
-
- 2.1malloc函数
- 2.2free函数
- 2.3calloc函数
- 2.4realloc函数
- 3.常见的动态内存错误
-
- 3.1对NULL指针解引用操作
- 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.柔性数组
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- 4.1柔性数组的特点
- 4.2柔性数组的使用
- 4.3柔性数组的优势
- 5.C/C++程序的内存开辟
1.动态内存分配
在之前我们已经学过内存开辟方式，比如：
int a = 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。
但是对于内存空间的需求，不仅仅是上述情况；有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，而且可能想要进行扩容或缩容，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。这时就只能利用动态内存开辟了。
2.动态内存函数
所有函数开辟的空间都放在堆区。
2.1malloc函数
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
size：单位字节，表示向内存申请的空间大小；
void*：返回值为无类型指针，指向所开辟的空间地址。
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。malloc详解
- 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。见下面的代码。
- 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（强制类型转换）。
- 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。
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);//最大不要超过INT_MAX(2147483647)
//判断开辟是否成功，失败则打印错误信息并返回
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放空间，否则会造成内存泄漏
free(p);//见2.2free函数
p = NULL;
//否则即使释放空间，p的地址仍不变，仍可找到原空间，但内容不知
return 0;
}
如果不将p赋值为空指针，会造成非法访问，如图：
2.2free函数
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);
ptr:表示指向所开辟空间的地址
同时free只能释放动态内存空间
free函数用来释放动态开辟的内存。free详解
- 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。)
int main()
{
//开辟
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
//释放
free(p);//释放空间,同时将指向所开辟空间的地址赋为空指针
p = NULL;
return 0;
}
2.3calloc函数
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);
num:想要开辟空间的个数;
size:每一个多大字节的空间.
void*：返回值为无类型指针，指向所开辟的空间地址。calloc详解
- 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。
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));//开辟10个整型大小的空间
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
可见,calloc在申请空间以后将所申请的空间都赋值为0.
2.4realloc函数
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，那为了合理的内存大小，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(注意不是增加的大小)
返回值为调整之后的内存起始位置。realloc详解
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,直接在原空间后面延长空间长度;
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间,需要在其他地方重新找一块空间(即空间地址改变).
- 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。
- 当是情况2 的时候,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。
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));//开辟10个整型大小的空间
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//扩容
int* ptr = (int*)realloc(p,80);
//realloc(NULL,40)==malloc(40);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 20; i++)
{
*(p + i) = i;
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.常见的动态内存错误
3.1对NULL指针解引用操作
void test()
{
int *p = (int*)malloc(INT_MAX/4);//INT_MAX=2147483647
*p = 20;//不进行判断,如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
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));//开辟10个整型大小的空间
if(NULL == p)
{
return 0;
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
p=NULL;
}
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);//error
}
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不再指向所开辟的空间起始地址
free(p);//error
}
free只能释放动态内存开辟的空间,同时要么全部释放,要么不释放,不可释放一部分.
3.5对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//error
//不可多次释放(一次释放后,p不再指向动态内存空间)
}
3.6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;
}
//未释放动态内存空间
}
综上所述,对于动态内存空间,
首先要进行判断,防止空间首地址为空指针,造成空指针解引用;
其次使用时不可越界访问,按照所需空间大小应用;
最后要进行空间释放(地址赋值为NULL).
4.柔性数组
C99 中，结构体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。
//比如：
typedef struct type_S
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员，大小可变
}S;
//或者
typedef struct type_S
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}S;
4.1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。
struct stu
{
int a ;
int arr[];
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct stu));//输出的是4，可见不包含柔性数组的大小
}
4.2柔性数组的使用
struct S
{
int a;
int arr[];
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);//为柔性数组开辟40个字节的空间
if (ps == NULL)
{
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//空间不够，可扩容
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
4.3柔性数组的优势
如果将动态开辟的空间地址放在结构体中，依次实现柔性数组的形式，是不是也可以呢？两者又有什么分别呢？下面我们看一下：
struct S
{
int a;
int* arr;
};
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));//为保证与之前一样，开辟的空间都放在堆区
ps->a = 10;
ps->arr = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));//开辟一块10个整型大小的空间，地址赋给arr
for(i=0; i<10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//空间不够，可扩容
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
对比之前的柔性数组开辟空间，前一种有以下优点：
- 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。（防止了忘记释放动态内存空间） - 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。（后一种至少开辟两次，两次空间未连续，分段开辟）
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。
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。