零基础自学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 a = 0;//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。

应用举例：

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

int main()
{
	int num = 10;
	int* parr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (parr==NULL)//判断是否开辟成功
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;//实现数组功能
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		*(parr + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		printf("%d ", *(parr + i));
	}
	return 0;
}

运行效果：

🚀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<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int num = 10;
	int* parr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (parr==NULL)//判断是否开辟成功
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;//实现数组功能
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		*(parr + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		printf("%d ", *(parr + i));
	}
	free(parr);//有这个必要吗？
	parr = NULL;
	return 0;
}

我们在开辟空间时，务必要记得释放，否则可能导致内存泄漏，导致代码运行一段时间后内存不足。同时，要把指针置为空指针，避免出现野指针的问题。

✈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全举不例子:

int main()
{
	int num = 10;
	int* parr1 = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (parr1 == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int* parr2 = (int*)calloc(num , sizeof(int));
	if (parr2 == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(parr1 + i));
	}
	printf("\n");
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(parr2 + i));
	}
	return 0;
}

运行结果：

可见，malloc开辟的空间中的值为随机值，但是，calloc会初始化为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);

• 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 <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);//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

🚀解引用空指针

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);
}

🚀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);
}

🚀对非动态开辟空间使用free释放

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

🚀使用free释放动态开辟空间的一部分

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

🚀对同一块空间多次释放

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

🚀动态开辟空间忘记释放（内存泄漏）

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

切记动态开辟空间一定要正确释放。

✈经典笔试题解析

🚀题目1：

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

运行后，由于p是str的一份临时拷贝，所以str还是空指针。而空指针不能进行解引用。

🚀题目2：

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

因为p的内存已经被释放，所以运行结果是乱码。

🚀题目3：

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

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

释放的是p的内存，而str不改变。

🚀题目4：

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

打印world。

✈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：

struct Test
{
	char a;
	int b;
	int a[0];
};

 

🚀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 Test
{
	char a;
	int b;
	int a[0];
};

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct Test));
	return 0;
}

运行结果是8。

🚀柔性数组的使用

//代码1 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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 <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;
}

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.
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)
扩展阅读：
C语言结构体里的数组和指针

✈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：

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0S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。