【C语言】动态内存管理

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。
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。

malloc和free

malloc

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。

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 = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
 {
	 int i = 0;
	 for(i=0; i<num; i++)
	 {
	 	*(ptr+i) = 0；
	 }
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
 ptr = NULL;//是否有必要？
 return 0;
}

calloc和realloc

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0。
例子：

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

输出结果：
1 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。

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，那为了合理的使用内存，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);

• 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。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。

#include 
#include 
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 	//业务处理
 }
 else
 {
 	return 1; 
 }
 //扩展容量
 
 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
 
 //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 	ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

常见的动态内存的错误

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);
 }

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);
 }

对非动态开辟内存使用free释放

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

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
 }

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
 }

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。
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

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;

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。

例如：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
 printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
 return 0;
}

柔性数组的使用

//代码1
#include 
#include 
int main()
{
 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);
 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。

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。

//代码2
#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));
 
 //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;
}

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，并返回给用户已个结构体指针，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）