C语言进阶之动态内存管理
一、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，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。
二、动态内存函数
1）malloc和free
void* malloc(size_t size); //单位字节
int* p = (int*)malloc(40);
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。
- 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。
malloc申请到空间后，直接返回这块空间的起始地址，不会初始化空间的内容
malloc申请的内存空间，当程序退出时，还给操作系统，当程序不退出，动态申请的内存不会主动释放的。
需要使用free函数来释放。
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。
2）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。
3）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，那为了合理的时候无序列表内存，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。
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
- 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
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
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。
- 开辟新的空间
- 会将旧的空间中的数据拷贝到新的空间
- 释放旧的空间
- 返回新空间的起始地址
int* p = (int*)malloc(40);
int* ptr = (int*)malloc(100); //用新的指针接收地址，如果不为空，再赋值给p指针
if (ptr != NULL){ //防止出现内存泄漏
p = ptr;
ptr = NULL;
//业务处理
}
else{
perror("realloc");
exit(EXIT_FAILURE);
}三、常见动态内存错误
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);
}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）对非动态开辟内存使用free释放
void test(){
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//ok? no
}
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++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}5）对同一块动态内存多次释放
void test(){
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}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;
}
}
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。
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
动态申请的内存空间
不会因为出了作用域自动销毁（还给操作系统）
只有两种方式销毁：
- free
- 程序结束（退出）
四、经典题目
void GetMemory(char* p){ //形参是临时拷贝
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void){
char* str = NULL;
GetMemory(str); //传的是str本身
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}对NULL指针进行解引用操作，程序会崩溃
没有释放空间，内存泄漏的问题
void GetMemory(char** p, int num){
*p = (char*)malloc(num); //将申请的新内存传给p指针
}
void Test(void){
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str); //未释放地址
//free(str);
//str = NULL;
}void Test(void){
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str); //释放后将指针置空
//str == NULL;
if (str != NULL){
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}五、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。
六、柔性数组
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。
typedef struct st_type{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;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。
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42）柔性数组的使用
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);
3）柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为：
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));
//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;
}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。
C语言结构体里的数组和指针