动态内存管理

前言

动态内存分配为什么存在

动态内存函数

malloc和free

calloc

realloc

常见动态内存的错误

对NULL指针的解引用操作

对动态开辟空间的越界访问

对非动态开辟内存使用free释放

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

对同一块动态内存多次释放

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

c/c++程序的内存开辟

柔性数组

柔性数组的特点

柔性数组的使用

柔性数组的优势

小结

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前言

前面我们学习了自定义类型，学会了结构体、位段、枚举、联合体的使用和特点，今天我们再来给大家介绍C语言中的内存申请函数。

本节课重点

  • 动态内存分配为什么存在
  • 动态内存函数的介绍
    malloc
    free
    calloc
    realloc
  • 常见的动态内存错误
  • 柔性数组

动态内存分配为什么存在

我们目前知道的内存开辟方式有：

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

但是上面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。

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。
这时候就只能试试动态存开辟了。

动态内存函数

malloc和free

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。
int main(){//申请40个字节，存放10个整形int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc fail");return 1;}//存放1~10for (int i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i + 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}    free(p);//释放掉    p=NULL;return 0;}

上面代码使用malloc申请了40个字节空间，依次存入1~10这十个整数，并最终打印，我们来看打印结果>

我们调试具体来看申请的内存空间

我们可以看到malloc申请的内存是不做初始化处理的。

我们再来看free函数，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

free函数用来释放动态开辟的内存。

  • 如果参数 memblock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 memblock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。

还是上面的代码调试>

calloc

calloc函数也是用来动态内存分配，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全0。
int main(){//申请10个大小为sizeof(int)的字节空间int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc fail");return 1;}//打印for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;}

可以看到calloc函数可以把申请到的空间全部初始化为0.

对比一下malloc和calloc函数

当然两个函数各有各的优势用哪个都可以malloc少了一个初始化的过程效率肯定会高一点点，当然还是要我们具体情况具体决定了。

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：

  • 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：
  1. 原有空间之后有足够大的空间
  2. 原有空间之后没有足够大的空间
int main(){int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc fail");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = 1;}//不够再增加5个整型大小空间int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));free(ptr);ptr = NULL;return 0;}

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。

内存各个区域所存放的内容>

常见动态内存的错误

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){perror("malloc fail");return 1;}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);}

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);return 0;}

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。

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。

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];//数组大小未知}type_a;

但有些编译器可能会报错无法编译时我们可以改写为:

typedef struct st_type{int i;int a[];//数组大小未知}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。
typedef struct st_type{int i;int a[];//柔性数组成员}type_a;int main(){printf("%d ", sizeof(type_a));return 0;}

柔性数组的使用

typedef struct st_type{int i;int arr[];//柔性数组成员}type_a;int main(){type_a* ps=(type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 10 * sizeof(int));return 0;}

typedef struct st_type{int i;int arr[];//柔性数组成员}type_a;int main(){type_a* ps=(type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){perror("malloc fail");return 1;}ps->i = 10;for (int i = 0; i arr[i] = i+1;}for (int i = 0; i arr[i]);}free(ps);ps = NULL;return 0;}

这样柔性数组成员arr，相当于获得了10个整型元素的连续空间。

柔性数组的优势

相比于传统的结构体malloc申请空间，柔性数组只需要一次malloc就可以同时申请到i和arr的空间，所以释放的时候就只需要free一次，而传统的要malloc两次，释放的时候也需要释放两次。

柔性数组的优势:

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）

拓展阅读：

C语言结构体里的数组和指针

小结

今天我们学习了malloc、realloc、calloc、free、柔性数组、等等相信大家学完会有一定的收获。

种一棵树的最好时间是十年前，其次是现在！ 把握好当下，合理利用时间努力奋斗，相信大家一定会实现自己的目标！加油！创作不易，辛苦各位小伙伴们动动小手，三连一波~~~，本文中也有不足之处，欢迎各位随时私信点评指正！

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