C语言动态内存管理
前言 -----------> 进程地址空间
我们看下面的图，进程地址空间大致可以分为三大类：
栈区（局部变量，函数等），堆区（动态开辟的空间），静态区（常量字符串，static修饰的静态变量），下面我们所讲的是在堆区上动态开辟的空间
1、为什么要动态开辟空间
我们已经掌握的内存开辟方式有：
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
上述开辟的空间有两个特点：
- 空间开辟大小固定
- 数组在定义的时候，必须给定数组大小，它所需要的内存在编译时给分配了
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
2、动态内存函数介绍
2.1 malloc与free
内存开辟malloc：
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。
单位：字节注意：malloc开辟的空间不会进行初始化
- 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。（利用强制类型转换来实现）
- 是否支持申请0字节空间，由编译器决定
内存释放free
- void free (void* ptr);
free函数用来释放动态开辟的内存（还给操作系统）。
- 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
- 如果参数非动态开辟的，程序就会报错
代码展示
#define num 10
int main()
{
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
int i = 0;
for (i = 0; i<num; i++)
{
*(ptr + i) = 0;
}
}
free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;// 为了防止free多次释放（若没有置空，多次释放会报错）
return 0;
}
2.2 calloc
calloc 函数也用来动态内存分配
- 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。
代码展示
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL != p)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
2.3 realloc
realloc让动态内存更加的灵活，它是用来调整开辟后的大小的（若前面开辟的空间不够，就可以用realloc对动态内存扩容）
-
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 —
单位：字节 -
返回值为调整之后的内存起始位置。
-
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
代码展示
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
exit(-1);
}
else
{
//放入数据
int i = 0;
for (i = 0; i<10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
}
//上面就是在使用calloc开辟的40个字节的空间
//假设后面还需要使用空间，而上面存了0-9共10个整形数，已经满了，就不够，希望将开辟的空间扩大
//这里realloc就可以来调整空间大小
int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//把原来40字节的空间变成80
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
//放入数据
int i = 0;
for (i = 10; i<20; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
printf("\n");
}
free(p);
p = NULL;
}
3、常见的动态内存错误
3.1 对NULL进行解引用操作
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题，所以每次使用动态开辟的内存需要判断是否为NULL
free(p);
}
3.2 对动态开辟的空间越界访问
//2.越界访问
int main()
{
int* p = malloc(5*sizeof(int));
if(p == NULL)
{
return 0;
}
else
{
int i = 0;
//只开辟了5个整形空间，但访问了超过5个
for(i=0;i<10;i++)
{
*(p+i) = i;
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.3 对非动态开辟的空间进行free释放
//3.对非动态内存空间使用free
int main()
{
int a = 10;
int p* = &a;
*p = 20;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//4.使用free释放动态内存的一部分
int main()
{
int* p =(int*)malloc(40);
if(p==NULL)
{
return 0;
}
int i = 0;
for(i=0;i<10;i++)
{
// *(p+i) = i; // 可以这样写的
*p++ = i;//p被改变了，它指向的不是开辟空间的开头位置
}
free(p);
p = NULL;
return 0;;
}
3.5 对同一块动态内存多次释放
//5.多次释放同一块动态内存
int main()
{
int* p =(int*)malloc(40);
if(p==NULL)
{
return 0;
}
int i = 0;
for(i=0;i<10;i++)
{
*（p+i) = i;
}
free(p);
p = NULL;//若没有释放后将p置为NULL，后面在进行释放的使用，就会出问题，所以推荐置空
return 0;;
}
3.6 忘记释放动态内存开辟的空间
//6忘记释放，内存泄漏（内存被用完）
int main()
{
while(1)
{
malloc(1);
Sleep(1000);
}
return 0;
}
4. 经典笔试题
1.
//1.str -> p ->开辟的空间，p被回收，空间就找不到了
// 改正方法：1. 通过返回值，调用函数的一方进行释放；2. 实参传递的时候采用传址调用
void Getmemony(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}//内存泄漏，这个函数执行完后，p变量就被回收了，开辟的内存就没有变量能找到了（野指针）
int main()
{
char* str = NULL;
Getmemory(str);
strcpy(str,"abcdef");//程序崩溃，str = null
printf(str);
}
2.
//2.str -> p ->开辟的空间，p数组被回收，p所指向的空间就被回收了（p是栈区上开辟的,第一题的p是malloc在堆上开辟的）
char* Getmemony(void)
{
//static p[] = "hello world";静态区就可以
p[] = "hello world";//栈区
return p;
}
int main()
{
char* str = NULL;
str = Getmemory();//非法访问（函数返回的空间已不再是改程序的了）
printf(str);
}
3.
// 3
void Getmemony(char** p,int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
int main()
{
char* str = NULL;
Getmemory(&str,100);
//没有free，存在内存泄漏，，而且也没有判断是否成功开辟空间
strcpy(str,"hello");
printf(str);
}
4.
//4. 提前释放了，并且没有把指针变量置空，str就成了野指针
int main()
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str,"hello");
free(str);//free后，str就成了野指针，需要置空（没有置空的话，str还是存的之前开辟空间的地址，只不过空间还给了操作系统），不然就会存在非法访问
//非法访问
if(str!=NULL)
{
strcpy(str,"world");
printf(str);
}
}
5. 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[];//柔性数组成员（可以进行动态开辟的）
}type_a;
5.1 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。
注意：虽然 sizeof 返回的结果不会计算柔性数组，但是在计算大小时，柔性数组的对齐数要参与运算
5.2柔性数组的使用
struct S
{
int n;
int arr[];//未知大小的数组 - 柔性数组，数组的大小可以动态开辟的
}
int main()
{
//开辟的数组空间为5整形
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+5*sizeof(int));//空间连续，效率高（数组大小+你需要的空间大小）
//继续追加20字节的空间
struct S* ptr = realloc(ps,44);
if(ptr!=NULL)
{
ps = ptr;
}
//开始使用
//使用完后释放
free(ps);
ps = NULL;
}
5.3 与柔性数组进行对比
//还有一种就是先动态开辟结构体的空间 ，然后将里面的数组设置成指针int* arr,让它指向一块动态开辟的空间，后面释放就先释放arr，在释放结构体的，两块动态开辟的空间不连续（内存碎片增多）
struct S
{
int n;
int* arr;
}
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(S));
ps->arr = malloc(5*sizeof(int)) // arr指向一个空间，这个空间含有5个整形字节大小
// ps与ps->arr都要进行free
5.4 柔性数组的好处
-
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。
-
访问速度更快
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）
关于柔性数组的介绍，推荐大家去看看这位大佬的博客：C语言结构体里的成员数组和指针，欢迎大家下来有问题可以私聊博主，大家一起学习进步。