超详细分析C语言动态内存管理问题

    上期结束了【结构体内存对齐】，这期我们来学习C语言中非常重要的内容之一【动态内存管理】，学完这期，我相信你对动态内存分配会有更深的理解~话不多说，我们直接进入本期主题！

一、为什么存在动态内存的分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int a = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述开辟空间的方式有两个特点：

1.空间开辟大小是固定的。

2.数组在声明时，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

但是对于空间的需求，不仅仅时上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。 这时候就只能试试动态存开辟了。

二、动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个malloc函数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。

?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。

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收

函数原型如下：

void free (void* ptr);

 free函数用来释放动态开辟的内存。

• 怕如果参数 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。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中

举个例子：

int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
 
	//代码2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + 1) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	//指针ptr内容还是原来的地址，释放后防止非法访问，故置为NULL
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫calloc，calloc函数也用来动态内存分配。

原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 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。
• 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全为0。

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)//判断p指针是否为空
	{
		//work
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

2.3 realloc

        realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时候我们发现过去申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的内存，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。

函数原型如下：

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

?ptr 是要调整的内存地址。

?size 调整之后新的大小。

?返回值为调整之后内存起始位置。

?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。

?realloc 在调整内存空间时存在两种情况：

            a.情况1：原有空间之后有足够大的空间

            b.情况2：原有空间之后没有足够大的空间

?情况1：要扩展内存就直接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。

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//work
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//扩展容量
 
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
	//这个做法不行，如果申请失败则返回NULL赋给ptr
 
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX/4);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会非法访问
	free(p);
	p == NULL;
}

3.2 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 (p == NULL)
	{
		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);
	p == NULL;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能对非动态开辟内存使用free
	p == NULL;
}

3.4 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
}

3.5 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
}
 
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。

四、几个经典的笔试题

题目1：

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

 请问运行Test 函数会有什么样的结果？

?程序崩溃，str是空指针，没有指向的内存，无法拷贝hello world，访问内存失败。

?内存泄漏，没有free。

题目2：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

?局部数组的内存，除了程序就释放了。

?返回栈空间地址的问题。

 题目3：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

?可以打印hello。

?需要加 free(str); str = NULL;

五、C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

• 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。
• 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。
• 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。
• 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

六、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：

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

6.1 柔性数组的特点

• 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。

例如：

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

6.2 柔性数组的使用

//代码1
int i = 0;
a* p = (a*)malloc(sizeof(a) + 100 * sizeof(int));
 
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->arr[i] = i;
}
free(p);

这样柔性数组成员arr，相当于获得了100个整形元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的 a 结构也可以设计为：

//代码2
struct a
{
	int i;
	int* p_a;
};
a* p = malloc(sizeof(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 代码2 的实现有两个好处：

第一个好处是：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。

第二个好处是：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，我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）

总结起来就是：

• 方便内存释放。
• 提高访问速度。

 动态内存管理到这里就结束啦，大家一定要动手敲代码实现一下！有不懂的可以随时私信我哦！