C语言.动态内存管理

1.为什么要有动态内存分配

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
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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，数组空间一旦确定了大小，就不能调整了

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候需要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。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2.malloc和free

2.1malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc(size_t size);
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这个函数向内存申请一块连续可用空间，并返回指向这块空间的指针。

• 如果开辟失败，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的返回值一定是要检查的。
• 返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候者自己来决定。
• 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义，取决于编译器。

2.2free

C语言提供了一个另外一个函数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);
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free函数使用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，那函数什么都不做。

malloc和free都声明在stdlib.h 头文件中。

举个例子：

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

int main()
{
	int num = 10;
	int arr[10] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	//申请空间
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			printf("%d ", * (ptr + i));
		}
	}
	//释放空间
	free(ptr);
	ptr = NULL;//是否有必要？

	return 0;
}
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3.calloc和realloc

3.1calloc

C语言还提供一个叫 calloc，calloc函数也用来动态内存分配。原型如下：

void* calloc(size_t num, size_t size);
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输出结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
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所以如果我们想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。

3.2realloc

• 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，有时候我们会会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，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。

函数原型如下：

void* realloc(void* ptr, size_t size)；
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• ptr 是要调整之后的内存地址
• size 调整之后新的大小
• 返回值为调整之后的内存起始地址。
• 这个函数调整内存空间大小的基础上，还会将原来的内存空间中的数据移动到新的空间去。
• realloc再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

• 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下了。

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

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//扩展容量

	//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
	//ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？（如果申请失败的话，会怎样？）

	//代码2 - 先将realloc函数的返回值放到p中，不为NULL，再放到ptr中
	int* p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理

	//释放空间
	free(ptr);

	return 0;
}
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4.常见的动态内存管理的错误

4.1对NULL指针解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;//假如p的值为NULL，就会有问题
	free(p);
}
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4.2对动态开辟空间的越界访问

void test1()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i == 10的时候 越界访问
	}
	//
	free(p);
}
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4.3对非动态开辟内存使用free释放

void test3()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
}
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4.4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);//不在指向动态内存的起始位置
}
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4.5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
}
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4.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

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

int main()
{
	//test();
	test();
	while (1);//死循环了
	return 0;
}
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5.动态内存管理经典笔试题分析

5.1 题目1

#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;
}
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请问运行test 函数会有什么样的结果？

原因：对NULL解引用操作 - 程序奔溃

改正：

#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);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
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5.2 题目2

#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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请问运行test 函数会有什么样的结果？

原因：等GetMemory函数返回后，使用str指针去访问p数组，就是非法访问，因为p数组的内存已经还给操作系统了。str变成了野指针（返回栈空间地址的问题）。

5.3 题目3

#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 world");
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
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请问运行test 函数会有什么样的结果?

5.4 题目4

#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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请问运行Test会有什么样的结果？

原因：因为在free掉str的内存空间时，再去访问它就变成了非法访问内存的空间

6.柔性数组

在C99中，结构中最后的一个元素允许是未知大小的数组，这个就叫 柔性数组 成员。

//例如：
struct st_type
{
	int i;
	int arr[0];//柔性数组成员
};

//有些编译器会报错，无法编译 可以改成：
struct st_type
{
	int i;
	int arr[];//柔性数组成员
};
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6.1柔性数组的特点

• 结构体中的数组成员前面必须至少有一个其他成员。
• sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组成员的内存。
• 包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的语气大小。

//例如：
#include <stdio.h>

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

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(st_type));//4
	return 0;
}
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6.2柔性数组的使用

//代码1：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

int main()
{
	int i = 0;
	st_type* p = (st_type*)malloc(sizeof(st_type) + 100 * sizeof(int));
	//业务处理：
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->arr[i] = i;
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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这样柔性数组成员arr，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

6.3柔性数组的优点

上述的st_type结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;//柔性数组成员
}st_type;

int main()
{
	int i = 0;
	st_type* p = (st_type*)malloc(sizeof(st_type));
	p->i = 100;
	p->p_a = (st_type*)malloc(p->i * sizeof(st_type));
	//业务处理：
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	//释放空间
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}
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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里面给别人用的函数中，你在做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。调用户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，并返回给用户个一结构体指针，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。

7.总结C/C++中程序内存区域划分

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(操作系统)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。