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[C++知识库]详解c语言中的动态内存分配问题

详解c语言中的动态内存分配问题

一.为什么存在动态内存分配

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

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，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。

二.动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

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。

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。

看下面代码：

#include <stdio.h>
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;
    return 0;
}

2.2 calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);
分配和零初始化数组

为元素数组分配一个内存块，每个元素都长字节，并将其所有位初始化为零。

有效结果是分配零初始化的字节内存块。

如果为零，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是空指针），但返回的指针不应被取消引用。

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。

#include<stdio.h>
#include<stdio.h>
int main(){
    int *p =(int*)calloc(10,sizeof(int));
    if(NULL!=p){
        //使用空间
    }
    free(p);
    p=NULL;
    return 0;
}

所以如何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。

2.3 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);
重新分配内存块

更改所指向的内存块的大小。

该函数可以将内存块移动到新位置（其地址由函数返回）。

内存块的内容将保留到新旧大小中较小的一个，即使该块被移动到新位置也是如此。如果新部分较大，则新分配部分的值不确定。

如果这是一个空指针，则该函数的行为类似于分配一个新的字节块并返回指向其开头的指针(malloc)。
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：

? 情况一：原有空间之后又足够大的空间。
? 情况二：原有空间只有没有足够大的空间。

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。

举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
    {
    int *ptr = (int*)malloc(100);
    if(ptr != NULL)
    {
      //业务处理
    }
    else
    {
      exit(EXIT_FAILURE);  
    }
    //扩展容量
    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
    //代码2
    int*p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if(p != NULL)
    {
    ptr = p;
    }
    //业务处理
    free(ptr);
    return 0;
}

在代码1的情况下，有可能返回的为空指针，程序继续往后运行会有不可预料的错误。

需要设置一个临时的指针变量来存储开辟空间的起始地址。并且需要判断是不是空指针，不是空指针，我们才能大胆将它托付给ptr。

3. 常见的动态内存错误

3.1 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);
}

3.2 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)
    {
    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);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

3.4 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
}

3.5 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
}

3.6 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);
}

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。

4.让我们来看看它们的“爱恨情仇”

4.1 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);
}

test（）执行后，会是什么了？

浅谈一下，str是一个指针变量，初始为NULL;调用GetMemory（），在GetMemory()这个函数的栈帧内创建了一个临时指针变量p，初始值为NULL。但是p不甘心啊，我要malloc一下，世界那么大，它也想去看看！一下就看到了堆区的一为姑娘（体重100个字节），正当它打算要入赘当上门女婿的时候，突然家里地震了（GetMemory（）），那叫一个惨不忍睹，政府直接把这块地回收改名了，这下p傻眼了，我的户口本没了，它成黑人了，老丈人也不同意这门亲事了，从此他抑郁而终，但是那位重100字节的姑娘心里一直有他（堆区开辟的空间一直在），但是她的心意也没人懂（没人能找到这块空间），也郁郁寡欢下去(内存泄漏)。然而这一切的一切，和str毛线关系没有.所以程序是会崩掉的。

4.2 题目2

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

这个代码你们看到后想到了什么样的爱情故事了？我来分享一下我的想法，前面的情节和第一个差不多，经历了同样的事情后，p在弥留之际，选择了把那位姑娘的地址飞鸽传书给了它的兄弟str，str也是个精神小伙，很快找到了她的地址,但是找到后发现这已经不是它兄弟所说的姑娘了，一切都变了。。。如果写成char p= char p[] = “hello world”;p就是一个常量字符串的地址，不会随着函数栈帧的消失而被归还给操作系统。*

5. C/C++程序的内存开辟

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。
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。
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。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

6.1 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。

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

6.2 柔性数组的使用

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);

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

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

typedef struct st_type
{
    int i;
    int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));//动态开辟结构体
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));//动态开辟结构体成员
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
	p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);//释放结构体成员
p->p_a = NULL;
free(p);//释放结构体
p = NULL;

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。