[开发工具]【深入理解C】动态内存管理

前言

大家在编写C程序的时候，是否会遇到数组空间不够大，或者一次性就把空间开大了，
又怕造成空间开销浪费等内存大小相关问题不得其解的时候呢？
那么这一章内容将会给你带来解决这类问题的好办法——动态内存开辟

目录

• 为什么要动态内存分配

• 动态内存函数的介绍

  1. malloc与free
  2. calloc
  3. realloc

• 常见的动态内存错误

• 一些动态内存的笔试题

• 内容补充说明（C/C++程序内存分配的几个区域）

• 特加内容（柔性数组）

正文

为什么要动态内存分配

其实我们平时类似于下面这样的开辟内存空间都是在栈上开辟的！至于栈是什么？——这里不用过多理解，先知道！

int a=20；//在栈空间上开辟四个字节
int arr[20];//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

上面的开辟方式有以下几个特点：

1. 空间开辟大小是固定的
2. 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

但是在实现的情况下：

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。

所以动态内存的开辟是很有必要
而且动态内存开辟的空间是在堆区上开辟的，下面是C语言内存的划分区域图

动态内存函数的介绍

想使用动态内存开辟空间，其实只需掌握以下几个函数即可！
接下来就是函数的介绍与使用，当你理解后再去使用将会比较容易上手！

1.malloc与free

其实C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);//size_t本质上是unsigned int类型

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。
它的特点：

1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2. 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。
3. 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
4. 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

可能单看文字你会迷迷糊糊的，说了一大堆，那究竟怎么使用呢？
举个例子： 比如我要开辟一个有10个元素的整型数组！

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc所需的头文件
int main()
{
	//int arr[10];//在栈区开辟10个int类型的空间
	int* pa = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//向堆区申请10个int类型的空间
	if (pa == NULL)//判断是否申请失败
	{
		printf("malloc fail!\n");
		return 1;
	}

	free(pa);//释放内存
	pa = NULL;
	return 0;
}

1. 注意一：
   不知道大家注意到没有，我们malloc动态开辟内存是需要向堆区申请的，所以有没有可能会申请失败呢？
   答案是肯定！所以我们每次申请空间后都需要进行判断是否申请成功，malloc函数申请失败它们返回一个NULL。
2. 注意二：
   是否注意在malloc前面加了一个强制类型转化，上面在讲特点的时候提过，malloc返回的类型的void* 类型的指针，所以我们是需要根据自己所需进行转化的！
3. 注意三：
   在结尾一定要把自己动态开辟的内存进行释放！这就要介绍一下free函数了！

free

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);//void* 可以接收任意类型的指针

可能有一些小伙伴看到free函数的参数类型是void*，就在想我要不要先将原来的类型强转成void *再使用？
没必要，因为void* 就像一个垃圾桶，可以接收任意类型的指针变量！！！

特点：

1. 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
2. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做

一个特别的提醒：

• 使用完free函数，该函数只会将空间释放，不会吧你的指针变量置空，这时候我们应该养成良好的习惯，手动将指针置成NULL

//例如
	free(pa);
	pa=NULL;//手动置空

2.calloc

calloc函数它跟malloc函数的功能其实的大同小异的，只是参数和初始化不一样！！！

函数原型：

void* calloc (size_t num, size_t size);//num表示要多少个，size表示每一个的大小

特点：

1. 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。
2. 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： 还是开辟一个有10个整型的数组，这次用的是calloc

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* pa = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (pa == NULL)
	{
		printf("calloc fail!\n");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", pa[i]);
	}
	free(pa);
	pa = NULL;
	return  0;
}

看看它和malloc函数打印后的结果：

3.realloc

realloc 函数是可以帮我们进行扩容的！！！挺好用的！！！

它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。

函数原型：

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

使用例子：我要在上面calloc开辟的10的int类型的空间上增加20个int类型的空间

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//向堆区申请10个int类型的空间
	int* pa = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (pa == NULL)//判断是否申请失败
	{
		printf("calloc fail!\n");
		return 1;
	}
	//......
	//假设内存不够了，需要扩容20个int类型的空间
	int* tem = (int*)realloc(pa, sizeof(int) * 30);//用临时变量存起来
	if (tem != NULL)//扩容成功才能把地址给pa
	{
		pa = tem;
	}
	free(pa);
	pa = NULL;
	return  0;
}

注意点:

1. ptr 是要调整的内存地址
2. size 调整之后新大小
3. 返回值为调整之后的内存起始位置。
4. 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
5. 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
6. 不要直接把扩容后的地址赋值给原地址，如果没有扩容成功，则函数会返回NULL，这时又直接就把NULL赋值给了原来地址，会导致无法再找回原有的地址，只需创建个临时变量判断即可

对于上述注意点的第五条两个情况的解释

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

常见的动态内存错误

通过上面的学习，你可能已经会使用动态内存开辟了，
但是新手在使用的时候难免会出现一些自己并不知道的bug！！！
下面给大家演示一些几种常见的错误示范，让你少走弯路！！！

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);
}

结论：申请空间后一定要判断是否申请成功了

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 (p==NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		p[i] = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

结论：无论是动态开辟的，还是非动态开辟的内存都要注意边界问题，避免越界

3. 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//典型的对非动态开辟的内存错误释放
}

结论：不能对非动态开辟的内存进行释放（malloc，ralloc，realloc都是动态开辟）

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=p+50;//有些人突然心血来潮觉得100太了，想释放后半部分空间
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

结论：使用free时，要注意传过去的是动态内存的起始地址，不能说释放一点，只能一次性全部释放

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
}

结论：重复释放同一个空间，程序会崩溃，但是我们可以养成良好习惯，free完后手动把指针置空，比如下面的程序就不会崩溃

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	free(p);
	p=NULL;
	free(p);//重复释放,p已经为空，所以free不会做任何事情
}

因为把NULL传给free它是不会干任何事情的！！！

6. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏，很严重）

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
	*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while(1);
}

上面这个程序是随便举个例子的，你运行起来的话，在任务管理器可以看到它的内存占比会一直不断增加
结论：动态开辟的内存一定要记得释放，一定要养成malloc，calloc，realloc这些函数与free一定是搭配使用的！！！

一些动态内存的笔试题

既然我们学会了如何使用动态内存函数了，那么想要深刻理解它，就要刷题了！！
只要做题才知道自己理解得怎么样了，才知道自己有没有掌握。

题目1

//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
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？
答案：什么也不会输出，程序会崩溃。

原因：

1. 首先它没有可能存在内存泄漏（次要原因，但不是导致它程序崩溃的原因）
2. 传参的时候传的是形参，是无法修改str的，所以str一直的NULL
3. 使用strcpy的时候，传过去的是NULL空指针，strcpy会对NULL进行解引用（*），就是非法访问的（崩溃的原因）

题目2

//下面程序输出什么
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？
答案：

原因：

1. 野指针问题， 本质就是在调用GetMemory这个函数的时候，它确实是把p的地址带回来给了str，但是，数组p只是一个在GetMemory函数里的一个局部变量，只要出了这个函数，它就被销毁了，所以p已经是一个野指针了，打印的是随机值。

题目三

下面程序输出什么，有没有什么错误？

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;
}

答案：输出：hello，有错误。

原因：

1. 我们上面讲过，申请内存是不是可能出现失败的情况，所以是需要判断是否申请成功的，但是这里并没有！
2. 还记得我们说过使用malloc这样的函数的时候，要搭配free使用吗！这里虽然可以正常打印，但是呢，却存在内存泄漏的隐患，因为它没有释放内存！

题目四

下面程序有什么错误？

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;
}

错误：

1. 还是没有判断是否开辟成功，可能会出现开辟失败，造成程序崩溃的错误隐患
2. 释放完没有对str置空，我们说过，free之后要养成手动置空，因为free是不会帮我们把str置空的，所以str被free之后，已经变成了野指针了，它就能进到下面的if语句，然后又会非法访问！！！

内容补充说明（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。
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。

特加内容（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

比如像下面这样的定义就是柔性数组

struct S
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
};

可能上面的定义有的编译器可能编译不过，下面这个就可以

struct S
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
};

特点：

1. 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员
2. sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存
3. 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

例如：当我们计算它的大小的时候

至于它的使用，本质上就是当我们需要多大空间的时候，我们对柔性数组中的int a[]进行动态内存开辟即可！
这里不打算过多介绍！
只是单单交代它的存在性！

它的好处有以下几点

1. 方便内存释放
2. 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）

本章完！