动态内存管理（一次过）

Posted 2021-08-21 雨轩（小宇）

动态内存管理

• 为什么存在动态内存管理？
• 什么是动态内存函数？
• 常见的动态内存错误
• 常见的笔试题
• C/C++程序的内存开辟
• 为什么会有柔性数组？

为什么存在动态内存管理？

• 学了C语言之前的知识，我们应该知道创建一个数组或者一个变量是在内存区固定开辟多少字节的大小，比如char [10]；在栈空间开辟10个字节的连续空间，在比如创建一个变量int a；在栈空间上开辟4个字节。
• 上述开辟的空间的方式的缺点：
  1. 空间开辟大小是固定的。
  2. 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。
• 有时候我们需要的空间大小在程序运行时才知道，但是数组已经创建，我们就无法在去增加长度，这时候就需要动态去开辟一块空间来使用，这也是为什么会存在动态内存管理的原因。

什么是动态内存函数？

我们已经知道为什么存在动态内存管理，那动态内存函数的作用自然而然也就是向内存开辟一块空间来使用。

四大动态内存函数

• malloc
  函数原型：void* malloc (size_t size);
  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

注意事项：

1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2. 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。
3. 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。
4. 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
  函数原型：void free (void* ptr);
  作用：free函数用来释放动态开辟的内存。

注意事项：

1. 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。
2. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

开辟了内存一定记得释放，成对出现！！！
malloc和free是成对出现的，就像C++的new和delete一样！！！

下面的例子认真看，非常重要，有很多细节！！！

int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = {0};
	//向内存开辟一块连续空间
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
	if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空，有时申请空间不成功
	{
		int i = 0;
	for(i=0; i<num; i++)
	{
		*(ptr+i) = 0；
	}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存，若没有释放会造成内存泄漏
	ptr = NULL;//防止成为野指针
	return 0;
}

• calloc
  函数原型：void* calloc (size_t num, size_t size);
  作用：calloc 函数也用来动态内存分配

注意事项：

1. 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。
2. 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。

来看看下面的例子加深一下印象！！！

int main()
{
	//calloc更加清楚明了
	int* p = calloc(10, sizeof(int));
	//int *a=malloc(10*sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行图：

• realloc
  函数原型：void* realloc (void* ptr, size_t size);
  作用：realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
  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，那为了合理安排内存，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

注意事项：

1. ptr 是要调整的内存地址

2. size 调整之后新大小

3. 返回值为调整之后的内存起始位置。

4. 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。

5. 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，要扩展内存就直接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
当是情况2 的时候，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。这样函数返回的是一个新的内存地址。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

int main()
{
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return;
	}
	//p = realloc(p, 1000);//不建议在原来开辟的空间进行扩展，空间可能不够
	int* ptr = realloc(p, 100 * sizeof(int));//在新的空间开辟一块内存，把原来的数据存入该区域，将原来的空间归还给操作系统
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;//赋给原指针

	}
	free(p);//防止内存泄漏
	p = NULL;//防止成为野指针
	return 0;
}

常见的动态内存错误

1. 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
	//没有检查是否为空指针
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

2. 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int i = 0;
	int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
	if(NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for(i=0; i<=10; i++)
	{
		*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

3. 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//p不是动态开辟的，非法释放
}

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，找不到起始位置
}

5. 对同一块动态内存多次释放

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

6. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
	*p = 20;
	//忘记释放并置空
}
}
int main()
{
	test();
	while(1);
}

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 （成对出现）

常见的笔试题

void GetMemory(char *p)
{
	p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

答案：str传给*p是值传递，形参p是一份临时拷贝。GetMory函数内部动态申请空间地址，存放在p中，不会影响str，所以当GetMory返回之后，str依然是NULL，所以strcpy会失败。
GetMory返回之后，p销毁，无法找到申请动态内存的起始地址，无法释放开辟的100个字节，造成内存泄漏。

char *GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

答案：GetMory函数内部，在栈上创建的p数组，是临时开辟的，出了函数，空间就反给操作系统了，返回的地址没有实际意义，如果通过返回的地址，去访问内存就是访问非法内存的。

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

答案：会造成内存泄漏，虽然通过指针传递，使p在内存中开辟了一块内存，但是函数返回之后就无法找到p的起始地址，虽然str复制成功，但是造成了内存泄漏。

void Test(void)
{
	char *str = (char *) malloc(100);
	strcpy(str, "hello");	
	free(str);
	if(str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

答案：str释放后，没有置空就又去访问str，非法访问内存。

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。
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。
   

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。
实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长。

为什么会有柔性数组？

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。
作用：
避免了重复释放开辟的空间

比如：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

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。

比如：

//code1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\\n", sizeof(type_a));//输出的是4

如何使用？

//代码1
int i = 0;
//提前开辟好空间
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

优势：

//代码2
typedef struct st_type
{
	int i;
	int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：

1. 第一个好处是：方便内存释放
   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。
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。