动态内存管理

目录

一：为什么要有动态内存分配

二：malloc和free

2.1 malloc

2.2 free

三：calloc和realloc

3.1 calloc

3.2 realloc

四： 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

4.2 对动态开辟空间的越界访问

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

五：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

六：总结C/C++中程序内存区域划分

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一：为什么要有动态内存分配

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，数组空间⼀旦确定了大小不能调整

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。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了

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二：malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：（头文件：stdlib）

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间（在 堆区 ），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。

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

2.2 free

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。

举个例子：

#include 
#include 
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * num);
	if (ptr != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//把ptr指向的空间还给操作系统
	ptr = NULL;//但是ptr还是记住这个地址，如果这时候访问这个地址就是非法访问，ptr就是野指针
	return 0;
 }

使用完以后，一定要free以及将指针置为NULL

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三：calloc和realloc

3.1 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：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

输出结果：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

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。

3.2 realloc

函数原型如下：
1 void* realloc (void* ptr, size_t size);

• 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。

• 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（同时也会把旧空间的数据拷贝到新空间里，同时释放旧空间，返回新空间地址）。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。

relloc调整失败也会返回空指针

relloc也可以实现和malloc一样的功能：

int* p = (int *)relloc(NULL,40);
int* p1 = (int*)malloc(40);
//两者效果一样

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;//如果执行了return后面的代码将不再执行
	}

	//p = (int*)relloc(p, 10000);//这样直接写，如果开辟失败，连原来的地址也找不到了
	
	//正确写法
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)relloc(p, 10000);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	free(p);
	free(ptr);
	p = NULL;
	ptr = NULL;
	return 0;
}

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四： 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    *p=20;    
    free(p);
//如果malloc开辟失败返回空地址，下面的用法就错了，少了判断p是否位NULL
}

4.2 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 (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i=10时，就是越界访问了
	}
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//释放非动态空间，系统会崩溃
}

对于malloc,calloc,relloc开辟的空间，如果不主动释放，除了出作用域以外，不会主动释放

释放方式：1.free主动释放

                   2.整个程序结束，操作系统释放回收

4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	p++;
	free(p);//p不再是原始位置
}

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	free(p);
	free(p);//p不再是原始位置
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
	//程序一直时死循环，如果没有free主动释放，这块空间就会一直被占用，发生内存泄露
	//这样会导致内存越用越小，程序效率下降
}

如果free放在程序结束之后，free未发挥作用，也会导致内存泄漏

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	//如果p是空指针，程序直接就结束，不会再free，可块空间就一直被占用着
}

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。

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五：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
}type_a;
//如果编译器无法编译可以改写为
typedef strcut st_type
{
    int i;
    int a[];
}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。

5.2柔性数组的使用

#include 
#include 
//代码1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];
}type_a;
int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。

#include 
#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));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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，你在里面做二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用发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）

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六：总结C/C++中程序内存区域划分

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）：⼀般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS（操作系统）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。