【C语言笔记分享】——动态内存管理malloc、free、calloc、realloc、柔性数组

1.为什么会存在动态内存分配

int val = 20;//在栈空间上开辟4个字节
char arr[10]={
    0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

• 上述代码开辟空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟的大小是固定的。
2. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时就分配。

• 对于空间的需求，不仅是上述的情况，有时候需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。

2.动态内存的函数的介绍

注：所有动态开辟的空间是在堆区开辟的！

2.1 malloc 和 free

• malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

2.1.1 malloc使用

malloc(函数链接)

void* malloc (size_t size);

• 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，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
• 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。(开辟0字节空间不代表是错的)
• 频繁使用malloc开辟空间会导致内存碎片

• [ ]作用: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。

• 例子：

2.1.2 free 使用

free(函数链接)

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。(不代表只能释放动态开辟的内存)

• 如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事也不做

• 对同一块空间，进行多次free释放，是不会报错的，但是建议不要多次释放

• 作用：用来释放动态开辟的内存。

  • 例子：

2.2 calloc

calloc(函数链接)

void* calloc (size_t num, size_t size);

• calloc也是用来动态内存分配。
• 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。

• [ ]作用: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。

• 例子：

2.3 realloc

realloc(函数链接)

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

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整(扩大内存，减小内存)
• ptr是要调整的内存地址。
• size调整之后的新大小
• 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。
• 在使用realloc追加内存时，不可使用原指针变量接收（ptr），需要创建新的指针变量接收，防止realloc申请空间失败，导致原指针(ptr)为空指针
• 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

情况1：当是情况1的时候，要扩展内存就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。
情况2：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。这样函数返回的就是一个新的内存地址。

• 例子：
  

扩容，地址可能发生变化，对比以下三张运行截图
以下是情况2：
原有空间之后没有足够多的空间时，
在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的就是一个新的内存地址。

3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

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

释放动态开辟的空间必须从起始地址释放，只释放一部分内存是做不到的！

3.5 对同一块动态内存多次释放

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

4.经典的笔试题

• 例子：

printf(str); == printf("abcd");
相当于把str首地址给了printf

char* p ="abcd";//p只是a的地址
printf(p);

• 1.正确修改：址传递

• 2.正确修改：函数返回值
  

5. C/C++程序的内存开辟

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。存放malloc、realloc、calloc开辟的空间和free。
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. 代码块：存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码

6.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。

例如：

• 有些编译器会报错无法编译，可以改成：

6.1 柔性数组的特点

• 结构小红的柔性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

例如：

6.2 柔性数组的使用

柔型数组方案 ：一次free、malloc

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整形元素的连续空间。如果觉得malloc开辟的空间小了，就可以使用realloc调整大小。

6.3柔性数组的优势

不是柔性数组的方案：2次free、malloc,其次malloc使用越多，内存碎片可能性就会越多

1.第一个好处是： 方便内存释放

如果我们的代码实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成员也许要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，用户一次free就可以把所有的内存也给释放掉。

2. 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，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)

扩展阅读（超链接）
C语言结构体里的数组和指针