C/C++教程
【C语言进阶】动态内存管理/分配
C语言动态内存分配篇
目录
一、为什么存在动态内存管理/分配？
内存的存储形式划分
二、动态内存函数的介绍
malloc
free
malloc和free的实际应用
calloc
realloc
三、常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用操作
对动态开辟的空间越界访问
对非动态开辟内存使用 free 释放
使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分
对同一块动态内存的多次释放
动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露）
四、C/C++程序的内存开辟
五、柔性数组
柔性数组的特点
柔性数组的使用
柔性数组的优势
一、为什么存在动态内存管理/分配？
（1）因为内存太宝贵。
（2）如果全部是静止内存不能释放，对于小的程序可以运行完毕。但是对于大的程序，还没运行完，内存就要被占用完，此时就要发生内存泄露。
（3）假设给定一个占用内存可变大小的变量（假设是数组的长度len），那么给该变量通过函数动态分配内存后，分配内存的大小是根据数组的长度len决定的。假定用户输入len的大小是5，系统就会动态的给该数组分配长度为5的内存。 该段代码运行结束后，系统调用free()函数释放分配的内存，然后接着运行剩下的程序。
换句话说，动态分配内存可以根据需要去申请内存，用完后就还回去，让需要的程序用。
我们先看个例子：
int a = 20; //局部变量 在栈区上开辟四个字节
char ch[10] = {0}; //局部变量 在栈空间上开辟10个字节的连续空间
int g_a = 10; //全局变量 在静态区上开辟十个字节
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，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。 这时候就只能试试动态存开辟了。
内存的存储形式划分
二、动态内存函数的介绍
malloc
- 专门用来动态内存开辟的函数
//函数原型 void *malloc (size_t size); //void* 表示任意类型的指针 //size_t 表示的是unsigned int(无符号整型) //size 表示所要开辟的空间单位是字节
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，则返回一个NULL指针，因此 malloc 的返回值一定要做检查。
- 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，取决于编译器。
free
- 专门用来做动态内存的释放和回收的函数
//函数原型 void free(void *ptr); //void *prt 表示所要释放的指针类型
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和free的实际应用
代码如下：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main()
{
//1.通过动态开辟申请10个int类型的空间
//根据实际使用强制类型转换为想要的类型
int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//2.malloc有可能申请空间失败，所以需要判断一下
if (p == NULL)//判断p指针是否为空
{
printf("%s\n", strerror(errno));
}
else
{
//正常使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
//当动态申请的空间不再使用的时候，就应该还给操作系统
free(p);//释放p所指向的动态内存
p = NULL;//是否有必要
return 0;
}
执行结果：
思考：
p = NULL; 是否有必要加上？
解答：
由于 free 完后本身是不会置为空指针的，因此我们需要手动将其变为空指针，所以p = NULL是有必要的。
calloc
- 能够让动态分配在申请空间的同时就进行初始化的函数
//函数原型 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 。
例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if(p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
}
else
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
//free函数用来释放动态开辟的空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
执行结果：
总结：所以如何我们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。而 calloc 函数会将所申请到的内存空间全部初始化成 0 ，意味着 calloc 比 malloc 运行时间更长，所以在选择这两个函数时可以根据是否需要初始化来选择。
realloc
- 能够将动态内存灵活分配的函数
- 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); //void *ptr 表示被调整的指针指向的地址 //size_t size 表示改变之后的空间内存大小，单位是字节
- 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
- 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
图解：
例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main()
{
int *p =(int*)malloc(20);
if(p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
}
else
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
//上方仅仅只是在使用malloc开辟的20个字节空间
//假设这里，20个字节空间不能满足我们的需求了
//希望能够有40个字节的空间
//这里就可以使用realloc来调整动态开辟的内存
int *ptr = realloc(p, INT_MAX);
if(ptr != NULL)
{
int i = 0;
for(i = 5; i < 10; i++)
{
*(p+i) = i;
}
for(i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
//释放动态开辟的内存空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
realloc 函数的注意事项：
1.如果 p 指向的空间有足够的的内存空间可以追加，则直接追加，后返回 p
2.如果 p 指向的空间之后没有足够的内存空间可以追加，则 realloc 函数会重新找一个新的内存区域，开辟一块满足需求的空间，并且把原来内存中的数据拷贝回来，释放旧的内存空间，最后返回新开辟的内存空间地址，而旧的那块内存空间需要赋空指针，不然会形成野指针，造成非法访问。
3.得用一个新的变量去接收 realloc 函数的返回值
注：以上四种函数头文件均使用 stdlib.h 头文件！
三、常见的动态内存错误
-
对NULL指针的解引用操作
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)malloc(40);
//万一malloc失败了，p就会被赋值为NULL
//*p = 0;//error
int i = 0;
for(i = 0; i < 10; i++)
{
*(p+i) = i;//非法访问
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
-
对动态开辟的空间越界访问
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));//只有5个元素
if( p == NULL)
{
return 0;
}
else
{
int i = 0;
for(i = 0; i < 10; i++)//只有5个元素，循环10次，会造成越界访问
{
*(p+i) = i;
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
-
对非动态开辟内存使用 free 释放
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int a = 10;
int *p = &a;
*p = 20;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
-
使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)malloc(40);
if(p = NULL)
{
return 0;
}
int i = 0;
for(i = 0; i < 10; i++)
{
*p++ = i;
}
//此时p指向的不是动态开辟出的起始位置了
//回收空间，free只能释放动态开辟出的起始位置
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
-
对同一块动态内存的多次释放
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)malloc(40);
if(p == NULL)
{
return 0;
}
//使用
free(p);
//p = NULL 需要定义为空指针才能引用下面的free
free(p);//重复释放
return 0;
}
-
动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露）
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
while(1)
{
malloc(1);//开辟完空间后一直没有释放
}
return 0;
}
注：忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏，动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放
四、C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。
五、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。
例：
typedef struct S
{
int n;
int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
//int arr[] 同上
}S;
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。
例：
#include <stdio.h>
typedef struct S
{
int n;
int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
}S;
int main()
{
struct S s;
printf("%d\n", sizeof(s));
return 0;
}
执行结果：
柔性数组的使用
例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct S
{
int n;
int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
}S;
int main()
{
struct S *ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+5*sizeof(int));
ps->n = 100;
int i = 0;
for(i = 0; i <5; i++)
{
ps->arr[i] = i;//0 1 2 3 4
}
struct S *ptr = realloc(ps, 44);
if(ptr != NULL)
{
ps = ptr;
}
for(i = 5; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
for(i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
执行结果 ：
图解：
柔性数组的优势
我们来看一下这段代码比起上一段代码的优势
优势一：方面内存释放
- 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。
优势二 : 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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