【动态内存管理】C语言-阿里云开发者社区

1.动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free

以上两个函数都在头文件：stdlib.h

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

功能：

这个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。

成功时，指向函数分配的内存块的指针。

此指针的类型始终为，可以强制转换为所需类型的数据指针，以便可取消引用。

如果函数无法分配请求的内存块，则返回空指针。void*

详情见以下：https://legacy.cplusplus.com/reference/cstdlib/malloc/?kw=malloc

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的，函数原型如下：

void free (void* ptr);

功能：

free函数用来释放动态开辟的内存。

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。

详情如下：https://legacy.cplusplus.com/reference/cstdlib/free/?kw=free

以下通过代码进行相应的了解：

#include<stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
int main()
{
  //int arr[10];//向内存申请了40个字节
  int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
  int* ptr = p;
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *ptr = i;
    ptr++;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
    ptr = NULL;
  return 0;
}

1.2 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);

功能：

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为全0。

详情如下：https://legacy.cplusplus.com/reference/cstdlib/calloc/?kw=calloc

还是通过代码进行相应的了解：

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

就相当于：

calloc = malloc+memset

注意：

如果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，如果不初始化就使用malloc函数来实现。

1.3 realloc

函数原型如下：

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

功能：

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，为了合理的时候内存，我们对内存的大小做灵活的调整。realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

详情如下：https://legacy.cplusplus.com/reference/cstdlib/realloc/?kw=realloc

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

当为这种情况的时候，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：原有空间之后没有足够大的空间

当为这种情况时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。

通过代码进行演示：

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
    return 1;
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  //
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));
  }
  //增加空间
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
  //当realloc开辟失败的是，返回的是NULL
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
    ptr = NULL;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

2. 常见的动态内存错误

2.1 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，就会有问题
 free(p);
}

2.2 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);
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

2.4 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
}

2.5 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
}

2.6 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;
 }
}
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，动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

3.C/C++程序的内存开辟

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。

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

4. 柔性数组

概念：

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：

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

4.1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。

例如：

> `typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(type_a));
  return 0;
}

输出结果为：

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

4.2 柔性数组的使用

struct s
{
  int i;
  int a[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
  int i = 0;
  struct s* p = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 4 * sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    return 1;
  }
  p->i = 4;
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    scanf("%d", &(p->a[i]));
  }
  printf("%d\n", p->i);
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    printf("%d ",p->a[i]);
  }
  //释放
  free(p);
  return 0;
}

这样柔性数组成员相当于获得了4个整型元素的连续空间。

4.3 柔性数组的优势

上述代码可以改写为如下代码：

struct S
{
  int n;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (ps == NULL)
    return 1;
  ps->n = 100;
  
  int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
  if (ptr == NULL)
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    ps->arr = ptr;
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    scanf("%d", &(ps->arr[i]));
  }
  
  //打印
  printf("%d\n", ps->n);
  for (i = 0; i < 4; i++)
  {
    printf("%d ", ps->arr[i]);
  }
  //释放
  free(ps->arr);
  ps->arr = NULL;
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

上述代码可以完成同样的功能，但是第一种的实现有两个好处：

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

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。（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）

大家有兴趣可以去阅读一下。

总结：

到此，关于动态内存管理的知识就到这里了，下期我会整理一些有关动态内存的一些经典笔试题给大家巩固学习！

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