C语言进阶——动态内存管理

目录

1、为什么要进行动态内存分配

2. 动态内存函数

2.1malloc和free

2.2 calloc

2.3 realloc

3.常见的动态内存错误

  3.1对NULL指针的解引用错误

3.2对动态开辟空间的越界访问

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5 对同一块内存进行多次释放

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. C/C++程序的内存开辟

5.柔性数组

5.1柔性数组的特点

5.2柔性数组的使用

5.3 柔性数组的优势

        首先我们来了解一下问什么要进行动态内存分配；我们先看下面两行代码：

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

        这两行代码开辟的空间方式有两个特点：
        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进行分配

        而我们在实际应用中，对于空间的需求可不仅是上面的情况，在很多时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，此时数组的编译时开辟空间的方式无法满足我们的需求，这时候就只能试试动态存开辟了。

2. 动态内存函数

2.1malloc和free

void* malloc (size_t size);

        mallloc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，返回一个NULL指针，因此我们一定要对malloc的返回值做检查。
        由于malloc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，这取决于编译器。

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函数和free函数的声明都是在 stdlib.h 头文件中。

2.2 calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

         calloc 函数和malloc函数一样也用来动态内存分配。calloc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。但与malloc不同的是 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。

        所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么就使用calloc函数来完成任务 。

2.3 realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size)

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

        在申请空间时，有时会我们发现过去申请的空间太小，有时候我们又会觉得申请的空间过大，我们需要对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数的出现就让动态内存管理更加灵活。

        realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
        第一种：原有空间之后有足够大的空间，此时扩展内存直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

        第二种：原有空间之后没有足够大的空间，此时扩展空间是在堆空间上另找一个合适大小
的连续空间来使用。函数返回的是一个新的内存地址。

        如下图：

3.常见的动态内存错误

        下来我们看一看常见的一些内存错误

  3.1对NULL指针的解引用错误

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);
}

        上述代码中，如果malloc开辟内存失败，会返回一个NULL指针。对NULL的解引用会导致未定义的行为。比如在很多平台上，该行为就可能会导致程序异常终止或拒绝服务。

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?
}

        如上述代码p指向的是a的地址，a一个局部变量是在栈区内开辟的，而free释放的是堆区内开辟的空间。

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 对同一块内存进行多次释放

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}

        free一个指针，只是清空该指针所指的堆区中的对应空间，但是该指针变量在栈中的值并没有没清空，依然指向原来分配的内存空间（但是该内存空间已经不属于该指针了，CPU随时可把该指针原来所指的空间分配给任何一个指针变量）。这时，再free一次时，由于该指针已经没有堆空间与之对应了，所以编译器将会提示出错。

所以正确的做法是将该指针释放后再置空。free(p); p->NULL；此时再次free(p)就不会报错。

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);
}

        在堆上分配的内存，如果不再使用了，就应该及时释放，以便后面其他地方可以使用。而 C 语言中的内存管理器不会自动回收不再使用的内存。如果忘了释放不再使用的内存，这些内存就不能被重用了，这就造成了内存泄漏。在堆上分配的内存，如果不再使用了，就应该及时释放，以便后面其他地方可以使用。一两处内存泄漏通常并不致于让程序崩溃，也不会带来逻辑上的错误，而且在进程退出时，系统会自动释放所有与该进程相关的内存（共享内存除外）。但是，量变会导致质变，一旦内存泄漏过多以致耗尽内存，后续内存分配将会失败，程序就可能因此而崩溃。

重要的事情说三遍：
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放！

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放！

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放！

4. 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

5.柔性数组

        C99 中，结构体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：

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

5.1柔性数组的特点

        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。

比如：

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

5.2柔性数组的使用
 

//代码1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);

        这样柔性数组成员a，获得了100个整型元素的连续空间。

5.3 柔性数组的优势

        

//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));

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

        在代码1和代码2中我们实现了同样的功能，但是代码1的实现有两个好处：

        1）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，但是他们并不知道这个结构体内的成员也需要free。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。
        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。