剖析C动态内存管理 (malloc,calloc,realloc，柔性数组)

Posted 2022-02-20 -YIN

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了剖析C动态内存管理 (malloc,calloc,realloc，柔性数组)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

C语言动态内存管理

为什么存在动态内存管理
动态内存管理函数
柔性数组

为什么存在动态内存管理

int a = 10; // 在栈上开辟4字节
int arr[10] = 0; // 在栈上开辟10字节连续空间

空间开辟大小固定，不可改变
数组初始化时必须明确数组大小，在编译时分配所需的内存

而有时我们需要在程序运行中才知道所需的空间大小，受数组编译时开辟空间限制无法在使用这种方式，所以使用动态内存开辟。

动态内存管理函数

详见C语言参考手册cplusplus.com

◇ malloc 与 free

malloc 与 free 的声明都在 stdlib.h 中

void * malloc (size_t size)

功能：分配内存块
这个函数向内存申请一块连续空间（字节为单位），并返回指向块起始的指针。
新分配的内存未初始化为随机值；

参数
含义：内存块的大小，以字节为单位。
是无符号整数（unsigned int）类型。size_t

返回值
如果申请成功返回指向开辟空间的指针；
如果申请失败返回NULL(void *),所以使用时一定检查malloc返回值
如果参数 size 为零，则返回值取决于特定的库实现（它可能是空指针，也可能不是空指针）。

void * free(void * ptr)

功能：释放内存块
释放动态开辟的内存空间。

参数
指向先前使用或动态分配的内存块。
如果不指向使用上述函数分配的内存块，则会导致未定义的行为。
如果参数为NULL指针，函数什么也不做。

◇ calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);

功能：为num个大小为size的元素开辟一块空间，并把空间每个字节初始化为0。
不需要初始化时使用malloc更高效
参数：
num:要分配的元素数。
size:每个元素的大小（类型所占字节数）。

如果申请失败返回NULL(void *)

◇ realloc

void* realloc(void* ptr, size_t size)

功能:调整指向的动态内存空间大小

参数
ptr: 指向先前使用或动态分配的内存块。
如果 ptr 为空就分配一个新内存块(功能相当于malloc)
size: 内存块的大小，以字节为单位。是无符号整数（unsigned int）类型。size_t

如果申请失败返回NULL(void *)

realloc 调整内存中的各种情况

设 ptr 指向的空间大小为 oldsize , 需要调整新空间大小为 size

当 size <= oldsize 时, 空间需要缩小到 size Bytes , 返回值是原空间的起始地址。
当 size > oldsize 时分三种情况
①直接扩展，当原有堆空间后有足够空间直接在原有空间之后直接扩展，原来数据不发生变化。

②可以扩展（后续空间不够），当 size 比 oldsize 大出较多时，无法直接扩展，所以在堆上另找一个空间大小合适的连续空间来使用。这样返回的就是一个新内存块的地址（不同于 ptr）
步骤：（1）申请新空间（2）将原空间元素拷贝至新空间（3）释放旧空间（4）返回新空间地址

③ 不可以扩展，当 size 值过大时堆完全没有足够空间这时便会返回NULL指针。并且不会解除分配参数所指向的内存块（它仍然有效，并且其内容保持不变）即原空间和数据不变。

下面是用C语言实现顺序栈中模拟realloc实现扩容的代码

//检查capacity,扩容
static void CheckCapacity(Stack* ps)

	assert(ps);
	if (ps->top == ps->capacity)         //栈满
		int newcapacity = 2 * (ps->capacity);
		//1.开辟新空间
		STDataType* temp = (STDataType*)malloc(sizeof(STDataType) * newcapacity);
		if (NULL == temp)    //检验空间申请是否成功
			assert(0);
			return;
		
		//2.拷贝元素
		memcpy(temp, ps->arr, sizeof(STDataType)*ps->top);
		//3.释放旧空间,使用新空间
		free(ps->arr);
		ps->arr = temp;
		ps->capacity = newcapacity;

总结

○ malloc, calloc, realloc 都是从堆上动态申请空间的函数，都在头文件 stdlib.h中；
○ 使用都需要free手动释放；
○ 返回值类型都为 void*，根据使用情况而定所以使用一般需要强转类型。
○ 使用时都需要判断返回值是否为NULL，来确保空间申请成功。

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，这就叫作柔性数组

typedef struct st_type
	int i;
	int arr[0];   //部分编译器报错，可以改成 int arr[];
type_a;

特点：

柔性数组成员前面至少有一个其他成员。（其他成员满足结构体内存对齐）
在计算结构体大小的时候柔性数组不占用struct的空间，只是作为一个符号地址存在。因此sizeof的值是大小不包括柔性数组。

面试例题：下面代码输出结果是什么？

#include <stdio.h> 

typedef struct List_t 
	struct List_t* next; 
	struct List_t* prev; 
	char data[0];
list_t; 

int main() 
	printf("%d",sizeof(list_t)); 
	return 0;