【C语言】动态内存管理

为什么存在动态内存分配

到目前为止，我们已经掌握的内存开辟方式有两种：

• 创建变量：

int val = 20;        //在栈空间上开辟四个字节

• 创建数组：

char arr[10] = {0};         //在栈空间上开辟10个字节的连续空间

上述的开辟空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 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。

这两种内存开辟的方法创建的空间大小是固定的，不能发生变化，因此就存在一定的局限性。C语言为了让我们更加灵活容易的控制我们所需的内存空间的大小，提供了动态内存管理的功能，也相应地提供了一些动态内存管理的函数。那这篇博客将带着大家来认识这些函数。

动态内存函数的介绍

malloc 和 free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

这个函数向内存申请一块连续可用的空间（字节），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：

free函数用来释放动态开辟的内存，参数是开辟内存的起始位置。

• 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。

malloc 和 free 函数的基本使用：

申请20个字节的内存空间来存放整形
 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(20);   // 由于要存储的为整形，使用int* 的指针来管理比较方便
                                 // malloc的返回值为void*，想要将其赋给int* 的指针，必须进行强 
                                 // 制类型转化
    // malloc 函数也是有可能开辟空间失败的，一般都会对malloc函数的返回值进行判断
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }
 
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //需要对主动申请的空间需要进行主动释放
    free(p);
    //虽然已经释放了p指向的内存，但p还是指向地址没有发生变化，为了避免野指针，应该将p置空
    p = NULL;  
}

calloc

malloc函数在初始化时会将每个字节赋一个随机值：

因此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：

• 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。

calloc 函数的基本使用：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));   // 开辟10个整形的空间
    if (p == NULL)
    {
        printf("calloc() --> %s\n", strerror(errno));
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

calloc 和 malloc 函数的对比：

• 参数不同。
• 都是在堆区上申请内存空间，但是 malloc 不初始化，calloc 会初始化为0。如果需要初始化就用 calloc，不需要就用 malloc 。
• 由于 malloc 没有初始化，因此 malloc 效率会比 calloc高，因此在使用时需要进行决策判断用哪种效果更好。

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。
  
• 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。

在实际使用realloc函数时可能会出现以下两种情况：

情况一：realloc 返回的是旧地址，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。

在遇到情况二时需要注意一些点：

• 在空间不足时，realloc 会寻找更大的空间。
• 将原来的数据拷贝到新的空间。
• 释放旧的空间。
• 返回新空间的地址。

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。

realloc 的基本使用：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(20);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
    }
    int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
        for (i = 5; i < 10; i++)
        {
            *(p + i) = i + 1;
        }
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            printf("%d ", *(p + i));
        }
    }
    else
    {
        printf("realloc --> %s\n", strerror(errno));
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

对动态开辟空间的越界访问

对非动态开辟内存使用free释放

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

对同一块动态内存多次释放

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

使用 malloc、calloc、realloc 函数申请的空间，如果不想使用，需要 free 释放，如果不使用 free 释放，在程序结束后，也会由操作系统进行回收。

如果没有使用 free 释放，程序也不结束，所申请的空间既没有使用，也没有释放，也没有回收，我们将这种情况称为内存泄漏。

解决方法是：自己申请的，自己释放。自己不方便释放的，告诉别人进行释放。

几个经典的笔试题

题目1：请问运行Test 函数有哪些的错误？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
 
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
int main()
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	return 0;
}

错误处：

1. 调用 GetMemory 函数的时候，str 的传参为值传递，p 是 str 的临时拷贝，所以在GetMemory 函数内部将动态开辟空间的地址存放在 p 中的时候，不会影响 str 。所以 GetMemory 函数返回之后，str 中依然是 NULL 指针。strcpy 函数就会调用失败，原因是对 NULL 的解引用操作，程序会崩溃。
2. GetMemory 函数内容 malloc 申请的空间没有机会释放，造成了内存泄漏。

解决方案一：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
 
char* GetMemory( )
{
	char* p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
int main()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory( );
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
	return 0;
}

解决方案二：

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
int main()
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
	return 0;
}

题目2：请问运行Test 函数有哪些的错误？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
 
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
 
int main()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

错误处：返回栈空间地址的问题

• GetMemory 函数内部有创建的数组是临时的，虽然返回了数组的起始地址给了 str ，但是数组的内存出了 GetMemory 函数就被回收了，而 str 依然保存着数组的起始地址，这时如果使用 str ，str 就是野指针。

解决方案：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
char* GetMemory()
{
	static char p[] = "hello world";
	return p;
}
 
int main()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

题目3：请问运行Test 函数有哪些的错误？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
 
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

错误处：内存泄漏

解决方案：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
 
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题目4：请问运行Test 函数有哪些的错误？

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
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;
}

错误处：栈空间的非法访问

解决方案：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
 
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解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。

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。

举例说明：

struct S
{
	int a;
	char c;
	int arr[];  //int arr[0]
};

柔性数组的特点和使用

• 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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
struct S
{
	int a;
	char c;
	int arr[];  //int arr[0]
};
 
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 10);
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
     //调整数组arr大小
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + sizeof(int) * 20);
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//使用
	//……
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

柔性数组的优势

使用结构体指针来进行模拟实现：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include 
#include
#include
 
struct S
{
	int a;
	char c;
	int* arr;
};
 
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc\n");
		return 0;
	}
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc2\n");
		return 0;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i + 1;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	/*对arr进行扩容*/
	ptr = (int*)realloc(ps->arr,sizeof(int) * 20);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc\n");
		return 0;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

使用柔性数组和结构体指针都可以完成同样的功能，两者之间的对比：

• 柔性数组好处是：方便内存释放

malloc 一次，free 一次，容易维护空间，不容易出错。内存碎片就会减少，内存利用率就较高一些。

• 结构体指针好处是：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。但是 malloc 两次，free 两次，维护难度加大，容易出错。内存碎片就会增多，内存利用率就下降了。

由于内存碎片比较小，在日后被利用的可能性就比较小。