C语言动态内存管理以及柔性数组

一、为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int val = 10; //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：

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。这时候就只能试试动态存开辟了。

二、动态内存函数

1、malloc

malloc是C语言提供了一个动态内存开辟的函数。

void* malloc (size_t size);

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

2、free

free是C语言提供的一个专门用来做动态内存的释放和回收的函数，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

注意：malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

3、calloc

calloc也是C语言提供用来动态内存分配的函数。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(NULL != p)
	{
		//使用p
	}
	//使用结束释放p
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何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。

4、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。函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

其中，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

• 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，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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

三、常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

改正后

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(INT_MAX);
	if(p == NULL)
	{
		exit(-1);
	}
	*p = 20;
	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++)//改为  for(i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

3、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
}

4、对非动态开辟内存使用free释放

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

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）

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
	//缺少free(p);
}
int main()
{
	test();
	while(1);
}

切记：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

三、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。

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。

四、柔性数组

1、柔性数组定义

柔性数组（flexible array）是定义在C99 中的，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];//柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

2、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。

例如：

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

3、柔性数组的使用

//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);

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。

4、柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//代码2
typedef struct st_type
{
	int i;
	int *p_a;
}type_a;
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;

上述 代码1 和代码2 可以完成同样的功能，但是 代码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。