[C++知识库]动态内存管理

动态内存管理

内存空间如果简单划分的话，分为3个区：栈区，堆区，静态区

栈区主要是存放：局部变量，函数的形参，函数的返回值。

堆区主要是存放：malloc calloc realloc free动态开辟的内存空间。

静态区主要是存放：由static修饰的静态的变量，包括局部变量和全局变量。

内存开辟的方式

1. 在栈区开辟空间：

int i = 0;//在栈上开辟一块大小为4byte的空间
float f = 0.0f;//在栈上开辟一块大小为4byte的空间
double d = 0.0;//在栈上开辟一块大小为8byte的空间
int arr[10] = { 0 };//在栈上连续开辟一块大小为40byte空间

上述开辟空间的大小都是固定的，开辟好之后就不能被修改。

2. 在堆区开辟空间：

这时候，就涉及到动态内存函数malloc calloc realloc free！

malloc

void* malloc(size_t size);

malloc函数是用来向内存申请一块空间的，要是申请成功，则返回该空间的起始地址；申请失败，返回空指针NULL.

几点注意事项：

1. 要是申请成功，该块空间并未初始化。
2. 如果size是0，标准未定义该行为，结果取决于不同的编译器。
3. void*类型的指针不能直接进行解引用操作，得先将其转化为具体类型的指针。

free

void free(void* ptr);

free函数是用来释放动态内存函数开辟的内存空间的，因为只开辟，不释放，会使得内存泄漏。

几点注意事项：

1. ptr指针只能是指向的空间是malloc calloc realloc函数开辟的。
2. 如果ptr是NULL，则free函数什么也不干。
3. 不能对一块由动态内存函数开辟的空间多次用free释放。

calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);

跟malloc函数类似，calloc函数也是用来开辟内存空间的，不过于malloc不同的是，calloc函数是用来开辟num个大小为size的连续空间的。

需要注意的是：

1. calloc同样是返回泛型指针void*，不能直接对其进行解引用操作。
2. calloc函数开辟空间成功，返回的是空间的起始地址；开辟失败返回的是空指针NULL。
3. calloc在开辟空间的时候，顺便将空间的每个字节全部初始化为0。

realloc

void* realloc(void* ptr, size_t size);

realloc是用来调整由动态内存函数开辟空间的大小的函数。

需要注意的点是：

1. ptr指向的是由动态内存函数开辟空间的起始地址；调整之后，新内存空间的大小是size。
2. 如果调整空间成功，返回调整空间的地址；要是失败，返回空指针NULL。
3. 如果给定的size大小是0，则该函数跟malloc一样，啥事也不干。
4. realloc返回的地址可能是原来的地址，也有可能是经过调整之后新的地址。

realloc的两种开辟方式：

动态内存函数的使用

1. calloc和free

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(40);//动态开辟40个字节的空间，并将起始位置的地址赋值给整型指针ptr
    //因为开辟可能成功，也有可能失败，故在使用ptr指针时，需要先判断指针是否为空
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
        return 1;
    }
    
    //...
    //动态内存空间的使用
    
    //动态内存空间的释放
    free(ptr);//释放只是释放了指针指向的空间，但是ptr还是指向原来的那块空间，为了确保安全，需要把ptr置为NULL
    ptr = NULL;
    
    return 0;
}

2. malloc和free

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = malloc(sizeof(int), 10);//动态开辟10个整型的空间
    //判断返回值
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //...
    //相关操作
    
    //内存释放
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    
    return 0;
}

3. realloc和free

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(40);
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    int* p = (int*)free(ptr, 80);
    //判断是否空间是否开辟成功
    if (p != NULL)
    {
        ptr = p;
        
    }
    //...
    //内存释放
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    
    return 0;
}

动态内存开辟中有关的错误

1. 对NULL进行解引用。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int* p = malloc(10 * sizeof(int));
    *p = 20;
    free(p);
    p = NULL:
    return 0;
}

此代码中，使用malloc动态开辟10个整型的空间，可能开辟失败，返回空指针，如果一个指针没有明确的指向是不能直接进行解引用操作的！

2. 操作越过动态开辟的空间。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
        ptr[i] = i;
        //p[i] <--> *(p + i)
    }
    //内存的释放
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

3. 释放非动态开辟的内存

#include <stdio.h>
#inclue <stdlib.h>

int main()
{
    int a = 0;
    int* ptr = &a;
    //...
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

4. 释放动态开辟内存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        ptr++;
    }
    //ptr经过循环之后已经不再指向动态开辟内存的起始位置了。
    
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    
    return 0;
}

5. 对同一块动态开辟的内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //...
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    //...
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    
    return 0;
}

6. 忘记释放动态开辟的内存（导致内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //...相关操作
    
    //...没有进行内存释放
    
    return 0;
}

7. 动态内存释放后继续使用

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //...相关操作
    
    //内存释放
    free(ptr);
    //ptr = NULL;
    
    *ptr = 10;
    
    return 0;
}

柔性数组

有几点必须明确：

1. 柔性数组只可能出现在结构体中。
2. 柔性数组成员必须是结构体中的最后一个成员，也就是说，结构体中至少有两种成员。
3. 使用sizeof计算结构体的大小时，柔性数组成员不算在内。
4. 含有柔性数组成员的数组应使用malloc函数进行内存分配，大小应大于结构体自身的大小。

举例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>

typedef struct S
{
  char c;
  int i;
  int arr[0];
}type_s;


int main()
{
    type_s* p = (type_s*)malloc(sizeof(type_s) + 100 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    p->c = 'w';
    p->i = 0;
    for (int i = 0; i < 100; i++)
    {
        p->arr[i] = i;
    }
    //动态内存释放
 	free(p);
    p = NULL;
    
    return 0;
}