C语言进阶篇—动态内存管理

一、动态内存分配的必要性

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int val = 10;//在栈空间上开辟4个字节
int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40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。

在程序开发过程中，对于空间的需求是多样的。除了那些在编写代码阶段就能明确知晓的情况之外，还存在一些特殊情形，即程序在运行过程中才能确定所需空间的大小。

面对这种不确定性，传统数组在编译时就固定大小的存储分配方式就显得力不从心，难以灵活应对了。

在这种情况下，我们只能将目光投向动态内存开辟这一解决方案。

二、动态内存函数的介绍

1.malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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：

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中

例如：

#include<stdio.h>#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{	int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40个字节的连续空间//动态内存开辟int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));//指向描述error的错误字符串的指针，在vs编译器紫下可能会返回"not enough space"return 1;//返回1，表示打印错误}//使用内存int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p+i) = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//没有free//并不是说内存空间就不回收了//当程序退出的时候，系统会自动回收内存空间的free(p);p = NULL;//释放p的地址，防止p成为野指针return 0;
}

注：malloc开辟空间，空间内部的初值不会初始化，一般是随机值

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：

该函数返回值和malloc函数相同

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{int* p = calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}//打印int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放free(p);p = NULL;return 0;
}

运行结果：

该函数和malloc的最大区别就是，calloc函数在开辟空间的同时，会把开辟空间里的元素给重置为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：

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

情况1：原有空间之后没有足够大的空间

情况2：原有空间之后有足够大的空间

代码如下;

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}//使用//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i + 1;}//如果空间不够，扩容//int* p = realloc(p, 80);//直接用p来接收新的地址可以吗？//不可以，如果realloc扩容失败，那么p就会返回空指针，那么原来的数据都找不到了//正确的做法是用一个新的指针来接收,然后将新的地址赋给p指向的地址int* ptr = realloc(p, 80);if (p == NULL){p = ptr;}//使用for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}    //由于realloc已经对原来的地址进行释放所以这里不需要释放了p = NULL;return 0;
}

realloc函数还可以实现malloc函数的功能，代码如下：

int main()
{realloc(NULL, 40);//malloc(40)return 0;
}
//realloc第一个参数传空指针

三、常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);

   *p = 20；//如果p的值是NULL，就会报错

   return 0;
}

正确做法是先判断p是否是NULL，如果p不是NULL，才进行赋值

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);
   if (p == NULL)
   {
       return 1;//返回1，编译器会报错
   }
   *p = 20;
   free(p);
   p = NULL;

   return 0;
}

2.对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);
   if (p == NULL)
   {
       printf("%s\n", strerror(errno));
       return 1;
   }
   //访问
   int i = 0;
   for (i = 0; i <= 10; i++)//越界访问了，即使是malloc开辟的空间仍然是有限的
   {
       p[i] = i;
   }
   free(p);
   p = NULL;
   return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
   int a = 10;
   int* p = &a;
   //使用....

   free(p);//free仅仅可以释放动态开辟的空间
   p = NULL;
   return 0;
}

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);
   if (p == NULL)
   {
       return 1;
   }
   //使用
   int i = 0;
   for (i = 0; i < 5; i++)
   {
       *p = i;
       p++;
   }//当程序运行到最后，p指向的是开始所开辟空间的一部分
   //释放
   free(p);//free不能只释放一部分的空间，这是做不到的
   p = NULL;
   return 0;
}

5.对同一块动态内存多次释放

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);
   if (p == NULL)
   {
       return 1;
   }
   //....
   free(p);

   //.....
   free(p);
   return 0;
}

正确做法是释放完把指针置空，这样就算后面再释放也不会报错

int main()
{
   int* p = (int*)malloc(40);
   if (p == NULL)
   {
       return 1;
   }
   //....
   free(p);

p = NULL;

   //.....
   free(p);
   return 0;
}

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

例1：

void test()
{
   int* p = (int*)malloc(100);
   //....

   int flag = 0;
   scanf("%d", &flag);
   if (flag == 5)
       return;

   free(p);
   p = NULL;
}

int main()
{
   test();
   return 0;
}

注：在代码中，函数 test() 里用 malloc() 给指针 p 分配了内存，但如果用户输入的 flag 等于 5，函数会提前返回，此时 free(p) 没有执行，导致分配的内存没被释放，从而产生内存泄漏。
修复方法：在 return 前加上 free(p)，确保内存被释放。

例2：

int* test()
{
   int* p = (int*)malloc(100);
   if (p == NULL)
   {
       return p;
   }
   return p;
}

int main()
{
   int* ret = test();
   //忘记释放了

   return 0；
}//

注：在代码中，函数 test() 里用 malloc() 给指针 p 分配了内存，并将这个内存地址返回给 main() 函数中的 ret。但是在 main() 函数中，忘记对 ret 指向的内存调用 free() 进行释放。这就会导致分配的内存无法被回收，从而产生内存泄漏。
简单来说，就是分配了内存但没释放，导致内存泄漏。

四、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。

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。

五、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;

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。

例如：

struct S
{
   int n;
   int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
   int sz = sizeof(struct S);
   printf("%d\n", sz);
   return 0;
}//输出的是4

2.柔性数组的使用

struct S
{int n;int arr[];//柔性数组成员
};int main()
{//柔性数组的使用struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);//sizeof(struct S)对应n的空间，外加40字节，这是给arr开辟的空间if (ps == NULL){return 1;}ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 80);if (ptr != NULL){ps = ptr;ptr = NULL;}//.....//释放空间free(ps);ps = NULL;return 0;
}

3.柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

struct S
{int n;int* arr;
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){return 1;}//ps->n = 100;ps->arr = (int*)malloc(40);if (ps->arr == NULL){return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//扩容int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 80);if (ptr == NULL){return 1;}//使用//......//释放free(ps->arr);free(ps);ps = 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