C语言_动态内存管理

1. 为什么存在动态内存分配 ?

当前，我们掌握的内存开辟方式有：

c 复制代码

int val=22;// 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

而上述的开辟空间的方式有两个特点：

空间开辟大小示固定的
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改变

这样一来，有时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

为了解决这个问题，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

2. malloc与free

2.1 malloc

C语言中提供的一个动态内存开辟的函数如下：

c 复制代码

void* malloc (size_t size);

此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

函数的机制如下：

如果开辟成功，则返回指向开辟空间的指针
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来决定
如果参数为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器
函数开辟空间的基本单位是字节（byte）

2.2 free

C语言还提供了另外一个专门做动态内存的释放和回收的函数如下：

c 复制代码

void free (void* ptr);

此函数用来释放动态内存开辟的内存

函数机制如下：

如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为就是未定义的
如果参数ptr是NULL，则函数什么都不做

malloc和free函数都声明在stdlib.h头文件中，所以使用的时候要包含头文件

举例说明：

c 复制代码

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

int main()
{
	int num=0；
	scanf("%d",&num);
	int *ptr=NULL;
	ptr=(int*)malloc(num*sizeof(int));
	if(NULL!=ptr)// 判断是否为空
	{
		int i=0;
		for(i=0;i<num;i++)
		{
			*(ptr+i)=0;
		}
	}
	
	free(ptr);// 释放刚刚申请的内存
	ptr=NULL;// 虽然此指针指向的空间已被系统回收，为了防止误用，还是要置空
	return 0;
}

3. calloc与realloc

3.1 calloc

除了malloc，calloc函数也可以用来动态内存分配：

c 复制代码

void* calloc (size_t num,size_t size);

此函数的功能是为num个大小为size 的元素开辟一块空间，并把每个字节初始化为0

与函数malloc的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请空间的每个字节都初始化

举例如下：

c 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));
		}
	}// calloc申请成功的前提下，输出 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

3.2 realloc

有时我们会发现过去申请的空间太小了或太大了，为那了合理利用内存，我们就得对内存的大小做调整，realloc函数为此而生：

c 复制代码

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

函数机制说明如下：

ptr是要调整的内存大小
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的指针
在扩展内存时，如果原有内存之后有足够空间，那就在原有内存之后直接追加空间；如果没有足够空间，那就在堆空间上另找一块足够大的连续空间使用，这样的话返回的是一个新的内存地址

在使用realloc时，我们要多注意一下：

c 复制代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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);
 	// 此代码不可取，如果realloc失败，则原来malloc申请的内存空间将不可以被访问或释放
 
 	//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)// 申请成功再赋给ptr
 	{
		ptr=p;
	}

	free(ptr);
	ptr=NULL;
	p=NULL;
}

4. 动态内存常见错误集锦

1、对NULL指针解引用

c 复制代码

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、对动态开辟空间越界访问

c 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=10时越界访问
	}
	free(p);
	p=NULL;
}

3、对非动态开辟内存使用free

c 复制代码

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

4、free动态开辟内存的一部分

c 复制代码

void test()
{
	int *p=(int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);// 此时p不指向动态内存的起始位置，会导致未定义行为
}

5、对同一块动态内存多次free

c 复制代码

void test()
{
	int *p=(int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);// 会导致未定义行为
}

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

c 复制代码

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

忘记释放不再使用的动态开辟的内存会造成内存泄漏，所以动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

5. 动态内存经典笔试题分析

题目1：

c 复制代码

void GetMemory(char *p)
{
 	p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

题目2：

c 复制代码

char *GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
 	return p;
}
void Test(void)
{
 	char *str = NULL;
 	str = GetMemory();
 	printf(str);
}

题目3：

c 复制代码

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
 	char *str = NULL;
 	GetMemory(&str, 100);
 	strcpy(str, "hello");
 	printf(str);
}

题目4：

c 复制代码

void Test(void)
{
 	char *str = (char *) malloc(100);
 	strcpy(str, "hello");
 	free(str);
 	if(str != NULL)
 	{
 		strcpy(str, "world");
 		printf(str);
	}
}

6. 柔性数组

C99中，结构中的最后一个元素可以是未知大小的数组，这被叫做柔性数组 成员

例如：

c 复制代码

struct st_type
{
	int i;
	int a[0];// 有些编译器会报错，可以改成int a[]
};

机制如下：

结构中的柔性数组成员前必须至少有一个其他成员
sizeof返回的这种结构的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。

柔性数组的使用如下：

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

也可以这样设计：

c 复制代码

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

与第二个使用方法相比，第一个使用方法有两个优势：

1、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

2、有利于提升访问速度

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，我个人觉得也没多提速了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

7. 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