动态内存管理

一：为什么会存在动态内存分配

int num = 20;//在栈空间上开辟4个字节
char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

我们知道局部变量的创建、数组的使用是在栈空间上开辟的空间；对于这些内存的开辟，可以总结出俩个特点：

• 1.空间开辟的大小是固定的。
• 2.数组在声明时，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

但有时候我们需要的空间在程序运行时才能知道，分配的内存空间大小不能是固定的，想要实现按需求灵活可变的分配内存，就需要运用到动态内存的相关知识了！

二：动态内存函数的介绍

1：malloc和free

malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。

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。

#include
#include
#include
int main()
{
	//int arr[10] = { 0 };//向内存申请了40个字节的空间
	//void* p = malloc(40);
	//这样写有缺点,假如这40个字节里面我想存10个整数,void*的指针无法解引用和加减
	//转化成整型指针来维护这个空间
	int* p = (int*)malloc(40);
	//保存旧地址
	int* ptr = p;
	//判断申请的空间够不够 不够就返回NULL

	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//报错函数
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*ptr = i;
		ptr++;
	}
	//释放
	free(p);//释放的时候得把旧地址保存起来
	p = NULL;//防止非法访问内存,防止p是野指针
	return 0;
}

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：

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0。
  举个例子：

#include
#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");//calloc的时候出现了问题
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//p+i产生的地址,所以可以直接free(p)
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
//calloc = malloc + memset

free后

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

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

总结：

• 动态内存管理是在堆区上进行内存空间的开辟，开辟到的是一个连续的空间
• malloc - 不初始化
• calloc - 初始化为0
• realloc - 调整内存空间的大小/如果第一个参数是NULL，功能类似malloc
• free - 释放动态内存开辟的内存空间

三：常见的动态内存错误

1：对NULL指针的解引用操作

//对NULL指针的解引用操作
#include
#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	//*p = 5;//err 如果p是空指针,空指针不能解引用
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;//开辟失败返回1
	}
	else
	{
		*p = 5;
	}
	free(p);//释放的时候得把旧地址保存起来
	p = NULL;//防止非法访问内存,防止p是野指针
	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;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{//i = 10时发生越界访问
		p[i] = i;
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3：对非动态开辟内存使用free释放

#include
#include
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;//开辟了静态的空间,不能被free
	//.....
	
	//err
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

4：使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
#include
#include
#include
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++;
	}

	//释放
	free(p);;//p不再指向动态内存的起始位置,应该保存旧地址p
	p = NULL;

	return 0;
}
//err

5：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
}

6：动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

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 。

//动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
#include
#include
int* get_memory()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//.....
	return p;
}
int main()
{
	int* ptr = get_memory();
	//....
	//忘记释放空间导致内存泄漏
	return 0;
}

四：经典例题

第一题

#include
#include
#include
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;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：

#include
#include
#include
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);//没有判断p是不是NULL
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");//err 
	printf(str);//等价于printf("%s\n",str);
	//没有释放空间,会导致内存泄漏
	//哪怕加了free函数都无法释放,因为str是传值引用,p是形参,只作用于GetMemory函数中
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//步骤:
//1:将str所指向的内容传到指针p上去,p为NULL,进入GetMemory函数
//2:p开辟了100字节的空间,将起始地址强行转换成char*类型,把起始地址放入p中,然后进入Test函数
//3:此时到达调用GetMemory(str)这一步,str依旧为NULL
//4:根据strcpy的语法特性,str必须解引用,可此时str为NULL,无法解引用

修改后的代码：

//改法1:
#include
#include
#include
char* GetMemory()
{
	char* p = (char*)malloc(100);//通过p找到str,因此对其解引用
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		return p;
	}
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

//改法2:
#include
#include
#include
void GetMemory(char** p)//取str的地址,因此要改成二级指针
{
	*p = (char*)malloc(100);//通过p找到str,因此对其解引用
	if (*p == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}
	else
	{

	}
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

第二题

#include
#include
#include
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
	
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

分析：

#include
#include
#include
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
	//数组p位于栈空间中,出函数后
	//p释放的空间要还给操作系统,这个空间已经不在程序的作用域内
	//str变成了野指针
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

第三题

#include
#include
#include
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)//此时的str是野指针,非法访问
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

修改后的代码：

在free§后面加个str=NULL;即可

五：C/C++程序的内存开辟

勘误：free函数在堆区，不在栈区里面

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。其主要存放动态内存管理。
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。
5. 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。
6. 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。

六：柔性数组

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。

struct S
{
	int n;
	float s;
	//柔性数组的两种表现形式
	1:int arr[0];
	2:int arr[];
};

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。

//途径1:
#include
#include
struct S
{
	int n;
	float s;
	//柔性数组的两种表现形式
	//1:int arr[0];
	//2:
	int arr[];
};
int main()
{
	//printf("%d\n", sizeof(struct S));//8
	struct S* ps = malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4);//malloc返回的是开辟空间的起始地址
	if (ps == NULL)
		return 1;
	//.....
	ps->n = 100;//对结构体的n赋值
	ps->s = 5.5f;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}
	printf("%d %f\n", ps->n, ps->s);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//调整
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	else
		ps = ptr;

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

//途径2:
#include
#include
#include

struct S
{
	int n;
	float s;
	int* arr;
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->n = 100;
	ps->s = 5.5f;

	int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	else
		ps->arr = ptr;
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}
	//调整
	realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));

	//打印
	printf("%d %f\n", ps->n, ps->s);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = 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。（free多次可能会造成内存泄漏。）

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（内存碎片指的是内存不连续）。