C语言中的动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

之前的内存开辟方式有：

但是上述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，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，那数组在编译时开辟空寂的方式就不能满足了，C语言引入了动态内存开辟，可以让程序员自己申请和释放空间，就比较灵活了。动态内存相关的函数都包含在stdlib.h这个头文件中。且动态内存管理函数都是在堆上进行空间开辟的。

2. malloc和free

2.1malloc

C语言提供了一个动态内存开辟函数malloc：

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。

1.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。

2.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。

3.返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候程序员自己来决定。

4.如果参数size为malloc开辟空间的字节大小，如果size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。

2.2free

**向内存申请到了一块空间用完要返还给内存，不然在程序结束之前，该空间会被一直占用，从而会导致内存泄漏问题。**所以C语言提供了另一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收。

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，那么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。

2.3使用malloc和free函数的例子

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int* ptr = NULL;
    ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
    {
        int i = 0;
        for (i = 0; i < 5; i++)
        {
            *(ptr + i) = 0;
        }
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("%d ", *(ptr + i));
    }
    free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
    ptr = NULL;//这里需要将ptr指针指向NULL，不然空间释放之后，ptr就成为了野指针了
    return 0;
}

3. calloc和realloc

3.1calloc

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：

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.

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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;
}

3.2realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时我们发现过去申请的空间太小了，有时候又觉得申请的空间过大，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。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是调整之后的新大小。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在调整内存空间的时候存在两种情况：
1：原有空间后面有足够大的空间。

2：原有空间后面没有足够大的空间。

情况1：当是情况1的时候，后面有足够大的空间，要扩展内存直接在原有内存之后追加空间，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：在堆空间上另外找一个适合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。

在使用realloc扩展空间时，扩展的空间太大可能会导致扩展失败，为了保存扩展之前的数据，先创建另一个指针，这个指针指向realloc扩展的新空间，如果扩展成功，再把该指针的地址赋给原来的指针。

4. 常⻅的动态内存的错误

4.1对NULL指针的解引用操作

cpp 复制代码

void test()
 {
    int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4); //未判断是否开辟成功，所以p的值可能是NULL
    *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
    free(p);
 }

4.2对动态开辟空间的越界访问

cpp 复制代码

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);
 }

4.3对非动态开辟内存使用free释放

cpp 复制代码

void test1()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);//ok?
}

4.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

cpp 复制代码

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    p++;
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

4.5对同一块动态内存多次释放

cpp 复制代码

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
    free(p);
    free(p);//重复释放
}

4.7动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

cpp 复制代码

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
    if(NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
}

int main()
{
    test();
    while(1);
}

内存泄漏一般不会报错，程序结束时会自动释放内存。但是在工作中的程序一般都是一直运行的，如果存在内存泄漏的问题是很严重的，所以动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

5. 柔性数组

C99中，结构体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：

cpp 复制代码

struct st_type
{
    int i;
    int a[0]; //柔性数组成员
};

//有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct st_type
{
    int i;
    int a[];  //柔性数组成员
};

5.1柔性数组的特点

1.结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员变量。

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体用malloc()函数进行内存的动态管理，并且分配的内存应该大于结构体的大小，以适应柔性数组的预期大小。

例如：

cpp 复制代码

#include <stdio.h>

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];
}type_a;

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(type_a)); //输出为4
    return 0;
}

5.2柔性数组的使用

cpp 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc fail!\n");
        return -1;
    }

    p->i = 100;
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        p->a[i] = i;
    }

    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        printf("%d ", p->a[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。

6. 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：

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。