动态内存管理
- 4.1 对NULL指针的解引用操作
- 4.2 对动态开辟空间的越界访问
- 4.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 4.5 对同一块动态内存多次释放
- 4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
前言
在C语言中，动态内存管理是指程序运行时，通过调用特定的函数动态地分配和释放内存空间。动态内存管理允许程序在运行时根据实际需要来分配内存，避免了静态内存分配在编译时就确定固定大小的限制。
C语言中动态内存管理主要通过以下两个函数来实现：
malloc函数：malloc函数用于动态分配内存空间，其函数原型为void *malloc(size_t size)。该函数从堆中分配size个字节的连续内存空间，并返回指向该内存空间的首字节的指针。如果分配失败，则返回NULL。free函数：free函数用于释放之前通过malloc函数分配的内存空间，其函数原型为void free(void *ptr)。该函数将ptr指针所指向的内存空间释放，并将该内存空间标记为可用，可以被后续的malloc函数重新分配。
使用malloc和free函数可以实现动态内存的分配和释放，但需要注意以下几点：
- 使用
malloc函数分配内存后，需要检查返回值是否为NULL，以确保内存分配成功。如果返回值为NULL，说明内存分配失败。 - 在使用完动态分配的内存后，需要及时调用
free函数释放内存空间，避免内存泄漏。 - 动态内存分配后，需要确保在不再使用该内存空间时释放内存，否则会造成内存泄漏，导致程序运行过程中内存不断被占用，最终导致系统内存耗尽。
- 动态内存分配的空间大小可以根据实际需要进行调整，灵活地满足程序的需求。
总的来说，C语言的动态内存管理能够提供灵活的内存分配和释放机制，可以有效地管理内存资源，提高程序的执行效率和可扩展性。但在使用过程中，需要注意合理分配和释放内存，并避免内存泄漏的问题。
一、 为什么要有动态内存分配
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int val = 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
但是上述的开辟空间的方式有两个特点：
- 空间开辟大小是固定的。
- 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整
但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。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。
C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。
二、 malloc和free
2.1 malloc
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
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。
- 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的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
malloc生成的空间是在堆区
使用malloc开辟0空间是没有意义的，不同编译器会出现不同的结果
int * p = (int* )malloc(0); if(p == NULL) { perror("malloc : "); return 1; }
2.2 free
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);
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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
举个例子：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int num = 0; scanf("%d", &num); int arr[num] = {0}; 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+i) = 0； } } free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存 ptr = NULL; //是否有必要？ return 0; }
free 会将开辟的空间返回，但是p 还是指向那个空间的起始位置，所以我们需要将p置为NULL，才保证不会出现野指针
释放空间 free(p); p = NULL;
三、calloc和realloc
3.1 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为全0。
举个例子：
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); if(NULL != p) { int i = 0; for(i=0; i<10; i++) { printf("%d ", *(p+i)); } } free(p); p = NULL; return 0; }
输出结果：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
所以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。
3.2 realloc
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，那为了合理的时候内存，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调整之后新大小- 返回值为调整之后的内存起始位置。
- 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。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *ptr = (int*)malloc(100); if(ptr != NULL) { //业务处理 } else { return 1; } //扩展容量 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); //这样可以吗？(如果申请失败会如何？) //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中 int*p = NULL; p = realloc(ptr, 1000); if(p != NULL) { ptr = p; } //业务处理 free(ptr); return 0; }
realloc 使用要基于已开辟的空间，及被malloc，calloc，realloc开辟过,realloc除了开辟空间外，还可以实现和malloc一样的功能
int* p = (int* )realloc(NULL,100); //等价于int* p = (int* )malloc(100); if(p == NULL) { perror(" realloc :"); } free(p); p = NULL;
在VS2022中，出现如图所示的情况，一般都是没有进行开辟空间没有判断，但也会出现编译器自己识别错误的原因，因为机器始终不是万能的，所有的事物都会出现一些bug。
四、常见的动态内存的错误
4.1 对NULL指针的解引用操作
没有对开辟空间是否为空进行判断
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); }
4.2 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); }
4.3 对非动态开辟内存使用free释放
free函数只能释放堆区的内存，不能释放栈区的内存。根据引用和引用的内容，可以得出以下结论：
free函数不能释放在栈上开辟的内存。因为栈上的内存是由系统自动管理的，不需要手动释放。free函数主要用于释放malloc、calloc和realloc函数动态分配的堆内存。delete操作符一般用于释放new操作符动态分配的堆内存。
所以，free函数只能释放堆区的内存，不能释放栈区的内存。
void test() { int a = 10; int *p = &a; free(p); //ok? }
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
系统释放空间的方式有两种：第一种是在栈区上，系统会在程序结束后自己释放，第二种便是堆区
void test() { int *p = (int *)malloc(100); p++; free(p); //p不再指向动态内存的起始位置 }
4.5 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 }
4.6 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。
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。
五、动态内存经典笔试题分析
5.1 题目1：
调用函数传入指针，都是一级指针，按照变量来理解，需要用到二级指针来接收地址，不然如下p只是str的一份临时拷贝，而改变不了str
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？
5.2 题目2：
p是临时变量，从函数出去后，系统会自动释放空间
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？
5.3 题目3：
malloc函数是可以使用变量的
void GetMemory(char **p, int num) { *p = (char *)malloc(num); } void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(&str, 100); strcpy(str, "hello"); printf(str); }
请问运行Test函数会有什么样的结果？
5.4 题目4：
void Test(void) { char *str = (char *) malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); if(str != NULL) { strcpy(str, "world"); printf(str); } }
请问运行Test函数会有什么样的结果？
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。
在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;
有些编译器会报错无法编译可以改成：
typedef struct st_type { int i; int a[]; //柔性数组成员 }type_a;
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：
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)); //输出的是4 return 0; }
6.2 柔性数组的使用
//代码1 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef struct st_type { int i; int a[0]; //柔性数组成员 }type_a; int main() { int i = 0; 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); return 0; }
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。
6.3 柔性数组的优势
上述的type_a结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。
//代码2 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> typedef struct st_type { int i; int *p_a; }type_a; int main() { 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; return 0; }
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：
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）
七、 总结C/C++中程序内存区域划分
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。
