动态内存管理
江河入海，知识涌动，这是我参与江海计划的第6篇。
1. 为什么有动态内存管理
通过前面的学习，我们基本掌握以下开辟内存的方式。 1. int a = 10;//在栈空间上开辟四个字节 2. char arr[10] ={ 0 };//在栈空间上开辟10个字节连续的空间。
上述空间开辟的空间具有如下的特点:
1 -> 开辟的空间大小是固定的。
2 -> 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组的空间一旦确定大小就不能调整
但是对空间的需求千变万化。需要空间的大小在运行时才能确定，数组开辟空间的方式就不满足。
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。
2. malloc和free
2.1 malloc
C语言提供了动态内存开辟函数
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起始地址。
注意：size_t 的单位是字节(byte)，1字节=8比特位(bit)
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 NULL 指针，因此malloc的返回值一定要做检查，防止的空指针的解引用操作。
返回值是void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的是时候由使用者自己决定。
如果参数 size 为0，malloc的行为标准未定义，取决于编译器。
2.2 free
C语言提供另一个函数free，专门用来对动态内存的释放和回收。
函数原型如下:
void free (void* ptr);free函数用来释放动态开辟的内存。
1 -> 如果 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。
2 -> 如果参数是 NULL 指针，则函数什么事也不做。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
void print(int* p) { int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } } #include<stdlib.h> int main() { //开辟10个整形的空间 int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int)); //使用前进行检查 //if (p != NULL) //{ // //使用开辟的空间 // int i = 0; // for (i = 0; i < 10; i++) // { // *(p + i) = i + 1;//为开辟空间上的地址赋值 // } //} if (p == NULL) { perror("malloc"); } else { //使用开辟的空间 int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = i + 1;//为开辟空间上的地址赋值 } } //打印开辟空间的数据 print(p); //释放空间 free(p); p = NULL; return 0; }
3. calloc和realloc
3.1 calloc
C语言还提供其他的函数来开辟动态内存。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);1->函数的功能是开辟 num 个大小为 size 字节的元素开辟空间，并且把空间的每个字节大小初始化为0。
2->与函数 malloc区别在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化全0。
#include<stdlib.h> //int main() //{ // int* ptr = (int*)calloc(10 ,sizeof(int)); // int i = 0; // for (i = 0; i < 10; i++) // { // printf("%d ", *(ptr + i)); // } // return 0; //}
程序结果：
3.2 realloc
realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。
申请的空间太小，有时又觉得空间太大，为了合理的利用内存，我们需对空间做灵活的调整。
realloc 函数可以实现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);1 -> ptr 是要调整的内存地址
2 -> size 调整后新的大小
3 -> 返回值为调整内存之后起始位置
4 -> 这个函数调整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
5 -> realloc 在调整内存空间存在两种情况
(一)情况1：原有空间之后有足够大的空间
(二)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追加空间，原来空间的数据不发生变化。
情况2:
当时情况2的时候，原有空间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。这样的函数返回的是一个新的内存地址。
#include<stdlib.h> void print(int* ptr) { int i = 0; for (i = 0; i < 40; i++) { printf("%d ", *(ptr + i)); } } int main() { int* ptr = (int*)calloc(10 ,sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(ptr + i) = i + 1; } //扩展空间 int* p = (int*)realloc(ptr, 40 * sizeof(int)); if (p != NULL) { int i = 0; for (i = 0; i < 40; i++) *(p + i) = i + 1; } ptr = p; print(ptr); free(ptr); ptr = NULL; return 0; }
程序结果:
4 常见的动态内存错误
4.1 对 NULL 指针解引用操作
#include<stdlib.h> int main() { int* ptr =(int*) malloc(_CRT_INT_MAX); *ptr = 20;//如果ptr是NULL，就会有问题 return 0; }
4.2 对非动态内存使用free释放
int main() { int arr[10] = { 0 }; free(arr); return 0; }
4.3 对动态开辟空间的越界访问
int main() { int* ptr = (int*)malloc(10, sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i <=10; i++) { *(ptr + i) = i + 1; } return 0; }
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main() { int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = 0; } free(p); return 0; }
4.5 对同一块内存进行多次释放
int main() { int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { *(p + i) = 0; } free(p); free(p);//重复释放 return 0; }
4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
void test() { int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(ptr + i) = 0; } } int main() { test(); return 0; }
后果：忘记释放不再使用动态开辟内存的空间会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的内存空间一定要释放，并且正确释放。
5 动态内存笔试题分析
5.1 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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
5.2 题目2：
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
5.3 题目3：
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
程序结果：
该程序存在内存泄漏。
正确方法：
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}5.4 题目4：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
正确方法：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
str = NULL;
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}6. 柔性数组
柔性数组确实存在。
C99中，结构体中最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫 柔性数组 成员。
例如：
struct st_typr { int i; int a[]; };
6.1 柔性数组的特点
1 ->结构中的柔性数组成员前面至少一个其他成员。
2 ->sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的成员大小
1 ->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体的大小，以适应柔性数组的预期大小。
例如：
struct S { int i; int a[0]; }; int main() { printf("%zd\n", sizeof(struct S));//输出是4 return 0; }
6.2 柔性数组的使用
typedef struct S
{
int i;
int a[];
}type_a;
int main()
{
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
p->i = 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i + 1;
}
printf("%d\n", p->i);
for (i = 0; i < 100; i++)
{
printf("%d ", p->a[i]);
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}程序结果：
6.3柔性数组的优势
typedef struct S
{
int i;
int* p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
p->i = 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i + 1;
}
printf("%d\n", p->i);
for (i = 0; i < 100; i++)
{
printf("%d ", p->p_a[i]);
}
free(p->p_a);
p->p_a= NULL;
return 0;
}优点：1. 方便内存释放。
2. 访问速度更快。
7. 总结C/C++中内存区域划分
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，函数执行结束后这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器集中，效率高，但是分配的内存容量有限。栈区主要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（操作系统）回收。分配方式类似于链表。
3. 静态区（数据段）：（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（C++）和全局变量）的二进制代码。
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