动态内存管理学习分享

1. 为什么存在动态内存分配

我们常见的内存开辟方式有：

int val = 20;///在栈上开辟4个字节空间
char arr[10] = { 0 };//在栈上开辟连续10个字节的连续空间

但上述开辟空间的方式有两个特点：

1. 开辟的空间大小是固定的。
2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需的内存在编译时分配。

但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时我们需要的空间大小在运行时才能知道。

那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足需求了！！

这时就只能试试动态内存开辟了。

2. 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);

这个函数可以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。

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函数并不知道开辟内存空间的类型，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的行为是标准未定义的，取决于编译器。
   

C语言提供了另一个函数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);

1. 如果参数ptr指向的空间不是内存开辟的，那么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。

malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。

Tips:

• malloc函数申请到空间后，直接返回这块空间的起始地址，并不会初始化空间的内容。
• malloc函数申请的内存空间，当程序退出时会还给操作系统。但当程序没有退出时，动态申请的空间不会主动释放。需要使用free函数来释放。

2.1.1 实例

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)//检查是否开辟成功
  {
    perror("malloc");//打印错误码信息
    return 1;
  }

  //内存申请开辟成功
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));
  }

  //释放回收申请空间
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

运行结果：

2.2 calloc

C语言还提供了一个叫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=ize的元素开辟一块空间，并且把空间的每一个字节初始化为0。
• 与函数malloc的区别只在于calloc在返回地址之前会将申请到的空间的每个字节初始化为0。

2.2.1 实例

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d:%p\n", p[i],&p[i]);
  }
  
  return 0;
}

结果：

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

过去有时我们会发现申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间太大了，那为了开辟合理内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那么realloc函数就可以做到对动态开辟内存的大小进行调整。

函数原型如下：

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

• ptr是要调整的内存地址，size为调整后的新大小。
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• realloc在调整内存空间时会存在两种情况：
  。在原有空间之后有足够大小的空间：要扩展内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
  。原有空间之后没有足够大的空间：在栈空间上另找一个合适大小的连续空间重新开辟一块内存空间，并将旧空间中的数据拷贝到新的空间，并释放旧空间，返回新空间的起始位置。

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  //没有进行判断是否开辟成功
  //若开辟失败，则p为空指针。
  //对空指针进行解引用操作是非法的
  *p = 20;
  free(p);
  return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);//开辟10字节空间
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i <= 10; i++)//越界访问
  {
    *(p + i) = i + 1;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
  int a = 10;
  int* p = &a;
  free(p);//err
  return 0;
}

后果：

对非动态开辟内存释放会导致内存泄漏，如果内存泄漏发生在长时间运行的程序中，可能会导致系统资源耗尽，使整个系统变得不稳定。

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()//err
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    *p = i + 1;
    p++;//p在不断向后移动
  }

  //释放
  free(p);//释放时，只是放了一小部分
  p = NULL;
  return 0;
}

后果：

释放部分内存可能会导致内存损坏，因为该内存可能被后续的内存分配操作重叠使用。这可能导致程序崩溃、数据损坏或其他不可预测的行为。

3.5 对一块动态内存进行多次释放

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }

  //释放
  free(p);
  p = NULL;

  free(p);//err，多次释放

  return 0;
}

后果：

1.数据损坏：重复释放内存可能导致未定义的行为，包括数据损坏。当重复释放内存后，其他变量可能会被覆盖或改变，导致程序出现逻辑错误或不可预测的行为。

2.安全漏洞：重复释放内存可能导致安全漏洞。恶意攻击者可以利用重复释放内存的漏洞来执行代码注入、缓冲区溢出等攻击。

3.6 开辟动态内存忘记释放（内存泄漏）

在前面已经多次提及这个问题，在此就不再过多介绍了。

4 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会自动被释放。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。栈区主要存放运算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）:一般有程序员分配释放，若程序员不释放，程序结束时可能由QS回收。分配方式类似于链表。

③：数据段（静态区）（stack）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（类成员函数和全局变量）的二进制代码。

同时也能解释为什么static修饰局部变量导致其生命周期变长。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是上面创建的变量出作用于后销毁。

但是被static修饰的局部变量存放在数据段（静态区），数据段上的特点是在上面创建的变量，直到按程序结束才销毁。

所以生命周期变长。

5 柔性数组

也许你没听过柔性数组（flexible array) 数组这个概念，但它是的确存在的。

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] 的成员。

例如：

//在C语言中，柔性数组有两种声明形式，具体具体取决与编译器：
//第一种声明方式
struct S
{
  int i;
  int arr[];//柔性数组，前面至少有一个成员
};

//第二种声明方式
struct S
{
  int i;
  int arr[0];//柔性数组
};

5.1 柔性数组的特点

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个成员。
• 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 S
{
  int i;
  int arr[];
}type_s;

sizeof("%d\n", sizeof(type_s));//输出的是4

5.2 柔性数组的使用

typedef struct S
{
  int i;
  int arr[];
}type_s;

int main()
{
  int i = 0;
  type_s* p = (type_s*)malloc(sizeof(type_s) + 100 * sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc->type_s");
    return 1;
  }
  //业务处理
  p->i = 100;
  for (i = 0; i < 100; i++)
  {
    p->arr[i] = i + 1;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

这样的柔性数组成员a，相当于获得了100个整形元素的连续空间。

5.3 柔性数组的优势

上述的type_s结构也可以设计为：

typedef struct S
{
  int i;
  int* p_a;
}type_s;


int main()
{
  type_s* p = (type_s*)malloc(sizeof(type_s));
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc->type_s");
    return 1;
  }
  p->i = 100;
  int* ptr = realloc(p->p_a, 4 * sizeof(int));
  if (ptr == NULL)
  {
    perror("malloc->p_s");
    return 1;
  }
  else
  {
    p->p_a = ptr;
  }
  //业务处理
  for (int i = 0; i < 100; i++)
  {
    p->p_a[i] = i + 1;
  }

  //释放
  free(p->p_a);
  p->p_a = NULL;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

上述两种代码可以完成完全相同的功能，但是第一种实现有两个好处：

第一个好处：方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人的函数中，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的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，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都释放掉。

第二个好处：有利于访问速度

连续的内存有益于提高访问速度，有利于减少内存碎片。（但其实这个因素产生的结果也高不了多少，反正你跑不了用偏移量的加法来寻址）。

拓展阅读：

C语言结构体的数组和指针

6. 结尾

本篇博客到此就结束了，如果对你有帮助记得三连哦。感谢您的支持！！