C语言进阶篇 五.动态内存管理

目录

为什么存在动态内存分配

动态内存分配函数

常见的动态内存错误

柔性数组

---

为什么存在动态内存分配

在创建变量时需要为变量分配内存空间，例如：

int a=10;
char arr[20]={0};

上述方式是分别在栈区上为a变量开辟了4个字节的空间和在栈上开辟了20个字节的连续空间，上述开辟空间大小取决于变量的类型，数组开辟空间时的大小也是取决于元素个数和元素的类型，在一些应用场景下不能灵活地分配空间，而且局部变量的生命周期有限，出了作用域就销毁了。

为了更合理地分配内存，引入了动态内存分配，如其名，可以按需动态地开辟内存空间。

四大区：

1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量在栈上创建，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 。

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。

动态内存分配函数

C语言提供了一些动态内存分配函数可以在堆区开辟内存空间。

void* malloc (size_t size);//size_t 是一个unsigned int 类型

这个函数可以开辟size个字节的空间，并返回一个指向内存起始地址的指针，新开辟的内存空间是未被初始化的，存储的是不确定的值。

如果size为0，函数的返回值取决于函数是如何实现的，这时返回值不能解引用（通常是空指针）。

这个函数也可能申请空间失败，这时返回的是空指针，故通常在使用函数malloc申请一块内存空间后要判断返回值是否为空。

堆区空间使用完就需要被释放，否则程序在运行时就存在内存泄漏（程序正常结束时空间会被操作系统自动释放）

这时要搭配另一个函数使用：

void free (void* ptr);

它的作用就是释放动态内存分配的空间，如果指向的空间不是动态开辟的，行为未定义。

如果ptr为空指针，该函数啥也不做。

注意：该函数并不会改变ptr指针，因此，该指针还指向原来的空间（需要手动置空，否则ptr是野指针）

另外两个开辟动态内存的函数：

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc函数会动态开辟num个元素的数组的空间，每个元素空间大小是size字节，并且每个元素被初始化为0,故共开辟了num*size个字节的空间。

如果size为0，该函数不一定返回空指针（取决于库的实现），故返回值不可解引用。

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

改变ptr指向的动态开辟内存的大小，新开辟的空间大小是过去大小和size的较小值，如果size更大，新开辟的内存空间的内容不确定。

如果ptr是空指针，这个函数的作用同malloc的一样。

（C90标准下，size为0是函数作用同free，会返回空指针，C99标准下不一定返回空指针）

如果空间开辟失败会返回空指针，原来的ptr指向的内存空间不会被释放（原来空间有效，不会被改变）。

常见的动态内存错误

1.解引用空指针

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);
}

2.越界访问

void test()
{
 int i = 0;
 int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
 if(NULL == p)
 {
 exit(-1);
 }
 *(p+10) = 11;//越界访问

 free(p);
}

3.free释放非动态开辟的内存

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//错误
}

4.free释放动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存开辟的空间的起始位置
}

5，用free多次释放动态开辟的内存

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

6.忘记释放动态开辟的内存

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 if(NULL != p)
 {
 *p = 20;
 }
}
int main()
{
 test();//未释放开辟的动态内存空间
}

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。

例如：

typedef struct st_type

{

        int i;

        int a[];//柔性数组成员

}type_a;

使用方法：

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

包含柔性数组成员的结构用malloc函数进行内存的动态分配。

type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
为柔性数组a开辟的4*100个字节的空间，这样开辟的内存是连续的
支持随机访问，访问速度快，内存碎片少。
p->i = 100;
for(int i = 0; i<100; i++) {
    p->a[i] = i;
}
free(p);