【C语言】《动态内存管理大师 ^

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为什么需要动态内存分配

我们已知的内存分配有：

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：
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。

这时候有同学就会问了，为什么不能定义一个超大的数组呢，比如arr[36000],对此，我只能说：
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啥？你不知道栈是什么？
用一幅图来解释一下：

简而言之，内存分为三大区，分别存储规定的东西。

动态内存函数

对于动态内存分配，一般只会涉及到四个函数，掌握他们，也就掌握了动态内存分配。
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malloc

C语言提供了两个动态内存开辟的函数：malloc和calloc

我们先来看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。

如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。

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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。

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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。

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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。

不过没人会这样写吧，不会吧，不会吧？

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我们来使用malloc函数实践一下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //假设开辟10个整形的空间int arr[10];//动态内存开辟//void* p = malloc(10 * sizeof(int));int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){
    perror("main");//main:xxxxxxxreturn 0;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){
    *(p + i) = i;printf("%d ", *(p + i));}//回收空间free(p);p = NULL;//自己动手，把p置为NULLreturn 0;//free()只能释放堆区元素//malloc与free一般要成对出现
}

calloc

接着我们来讲一下calloc:

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。

我们可以通过程序验证一下：

calloc
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{
    //int*p=(int*)malloc(40);//calloc会自己初始化int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){
    return 1;}for (int i = 0; i < 10; i++){
    printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

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);

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

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关于其使用在上面的两个例子中已经有使用过。
不过，有一点需要注意：

realloc

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);

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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

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这里还有一个点需要我们注意：

当我们需要对p指向的空间进行拓展时，如果失败，函数realloc返回NULL,
也就是说p被置为空,偷鸡不成蚀把米，空间没变大，反而连原来的空间也找不到了。

如何解决？
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我们实际使用一下realloc函数：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{
    //int*p=(int*)malloc(40);//calloc会自己初始化int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){
    perror("main");return 1;}//使用for (int i = 0; i < 10; i++){
    *(p + i) = 5;//printf("%d ", *(p + i));}//这里需要p指向的空间更大，需要20个int空间//realloc调整空间int*ptr=(int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL){
    p = ptr;}free(p);p = NULL;return 0;
}

常见动态内存错误

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这里，要强调一下我们在使用动态内存时容易返的错误：

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);
}

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);
}

对非动态开辟内存使用free释放

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

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
}

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
}

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();
}

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经典例题

了解完了基础的知识点，是时候来实践一下了：

阅读下面的代码，计算输出结果

#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;
}

解答：
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2.
阅读下面的代码，计算输出结果

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";return p;
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}
int main()
{
    Test();return 0;
}

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3.
观察下列两个函数，找出错误点：

int* f1(void)
{
    int p = 10;return &p;
}
//局部变量的栈空间的地址问题int* f2(void)
{
    int* ptr;*ptr = 10;return ptr;
}
//野指针问题（未初始化）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);free(str);str=NULL；
}
int main()
{
    Test();return 0;
}

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5.

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
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;
}

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C/C++内存开辟

我们在来了解一下内存中每个位置存放的数据内容：
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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

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『柔性数组』成员.

例如：

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

或者：

typedef struct st_type
{
    
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a

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

柔性数组的使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct S
{
    int n;int arr[0];//大小位置
};
int main()
{
    //期望arr的大小是10个整形struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));int i = 0;ps->n = 10;for (i = 0; i < 10; i++){
    ps->arr[i] = i;}free(ps);
}

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这时候有同学就会说，我用类似链表的结构也能实现，确实，我们来试一下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct S
{
    int n;int *arr;
};
int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL)return 1;ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (ps->arr == NULL){
    return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){
    ps->arr[i] = i;}//增加int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL){
    ps->arr = ptr;}//使用//释放free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = 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。
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。（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）
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free

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常见动态内存错误

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柔性数组

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