【C语言】动态内存管理

1、动态内存管理

1.1、为什么要有动态内存

我们在此之前，已经掌握了一些开辟内存的方式。
比如

int n = 4; //开辟了4个字节空间
int arr[20] = {
    0}; //开辟了一段连续的空间

上述的方式都有这固定的几个特点：

1. 空间是固定的。
2. 开辟数组的时候必须指定长度。

但有时我们对空间开辟的大小是需要在程序运行之后才能确定的，所以就有了动态内存。

 

1.2、malloc和free

C语言提供的一个内存开辟函数

void* malloc (size_t size);

开辟的空间储存在堆区，size代表着准备开辟多少字节的空间。

• 如果开辟成功，将返回这个空间的起始地址
• 如果开辟失败，将返回空指针
• 返回值是void*，所以在开辟后需要使用者决定
• 如果size为0，这个行为是未定义的，取决于编译器。

free函数是用来释放堆区开辟的内存，如果用来释放栈区的内存，将会报错。

void free (void* ptr);

• ptr代表空间的起始地址
• ptr为NULL的时候，free函数什么也不做。
• 如果不对开辟的动态内存进行free操作，可能会造成内存泄漏。

malloc和free的使用

int main()
{
    
	//申请空间的大小没法改变
	int a = 10;
	int arr[10];

	//需要动态的内存
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
    
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		printf("%d ", *(p + i));
	}


	//没有free
	//并不是说内存空间就不回收了
	//当程序退出的时候，系统会自动回收内存空间的
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

1.3、calloc和realloc

calloc也是开辟内存函数，和malloc不同的是传参以及开辟的空间内数据都将初始化为0。

void* calloc (size_t num, size_t size);

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); //开辟40字节空间
 if(NULL != p)
 {
    
 	//...
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

---

 

realloc函数让内存开辟变得更加灵活，realloc能将原本的动态内存空间进行调整，如果增大，那么原本的内存块将保留，新的内存块将在后面添加，如果变小，那么将截断原本空间的后面部分。

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

1. 参数ptr代表需要扩充的空间的起始指针，size代表最后需要扩充到多大的空间。
2. ptr如果为NULL，就和malloc的功能一样。
3. void*代表开辟后返回起始空间的指针，这个指针最好不要和一开始需要扩充的空间起始指针一样，不然当内存扩充失败的时候，原来的指针就变为了NULL。
4. realloc调整指针存在两种情况，第一种是当原本空间后连续有足够的空间可以扩容，这种情况能使得它们空间连续，起始指针的地址不变。第二种是当原本空间后没有连续的空间可以扩容，那么会在其它位置找到足够的空间进行开辟空间，而原本空间的指针就变了。（最终都是变成一块空间）

1.4、使用动态内存分配

这是一个开辟动态内存的例子。

	int* p = (int*)malloc(sizeof(int)* 10);
	if (p == NULL)
	{
    
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	
		int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		printf("%d ", p[i]);
	}
	
	free(p);
	p=NULL;

符号NULL定义于stdio.h，字面值常量是0。它对于开辟动态内存空间的成功与否有着很大作用，在开辟内存后，一定要对返回指针进行判断是否为空。如果不为空，那么就成功得到一个p指针指向的有着10个int类型的空间。
 
sizeof(int)* 10 这样的写法好在就算跨平台，也能得到正确的结果。
 
如果想对开辟成功的内存进行访问，在得到p指针可以分别以 * (p+i)、p[ i ]方式访问。

在free ( p ) 后，最好将p至为空（p=NULL），防止非法访问。

 

1.5、常见的动态内存错误

 

1. 不检查从malloc函数返回的指针是否为NULL，对NULL指针进行了解引用

void test()
{
    
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX); //内存池没有这么大的空间能够分配，开辟失败返回空指针。
	*p = 20;//这里需要对p进行检查，如果内存分配失败 就是对NULL指针解引用
	free(p);
}

 
2. 访问动态分配的内存之外的区域

int main()
{
    
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
    
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
    
		p[i] = i; //越界访问
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 
3. 向free 函数传递一个并非由 malloc 函数返回的指针

void test()
{
    
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	//free非动态内存会报错
	//freeNULL指针会不动
}

 
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
}

 
5.在动态内存被释放后再访问它

void Test(void)
{
    
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);  //先将空间给释放了
	//释放应当制空
	*str = 'h';
}

int main()
{
    
	Test();
	return 0;
}

 
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
    
	int* p = (int*)malloc(100);
	//....
	int flag = 0;
	scanf("%d", &flag);//5
	if (flag == 5)
		return;

	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
    
	test();
	//......


	return 0;
}

 

内存泄漏：
  当动态分配的内存不在需要使用时，它应该被释放，这样它以后可以被重新分配使用。分配内存但在使用后不释放将引起内存泄漏。在那些所有程序共享一个通用内存池的操作系统中，内存泄漏将一点点地榨干可用内存，最终使其一无所有。要拜托这个困境，只有重新启动系统。

 

1.6、柔性数组

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

struct S
{
    
	int n;
	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 S
{
    
	int n;
	int arr[]; //柔性数组成员
};

柔性数组的特点：

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其它成员
• sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存，arr未开辟内存时称作标记
• 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。

struct S
{
    
	int n;
	int arr[]; //柔性数组成员
};
printf("%d\n",sizeof(struct S)); //4

柔性数组的使用：

struct S
{
    
	int n;
	int arr[]; //不用int* p的原因
};
//如果用int* p; 需要给结构体成员p再开辟一个内存空间让p指向。
//不用int* p的原因
//1.用int*p需要开辟两个不同的空间，free的时候要释放两次，带arr[]只要free一次方便释放
//2.开辟两个不同空间，会出现内存碎片，连续的内存有益于访问速度的提高

int main()
{
    
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	if (ps == NULL)
	{
    
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}

	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		ps->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 80);
	if (ptr != NULL)
	{
    
		ps = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}