3.动态内存管理

3.1 为什么存在动态内存分配

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：

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。

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。这时候就只能试试动态存开辟了。

3.2 动态内存函数的介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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。

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。

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。

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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

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);

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。

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (NULL != p)
  {
  }
  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。

realloc

1.realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

2.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。

3.3 常见的动态内存错误

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);
}

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);
}

对非动态开辟内存使用free释放

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

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
}

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
}

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。

3.4 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。

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。

3.5 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：

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

或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;

柔性数组的特点：

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

3.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;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

柔性数组的使用

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);

这个柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

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，但是代码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。

4.动态版通讯录实现

我们就在原有的静态表上改动即可。

4.1 contact.h文件改动

#define N 3
#define INC 2
typedef struct Contact
{
  peo* data;
  int capacity;
  int sz;
}Con;
void DistoryCon(Con* cont);

4.2 contact.c文件改动

通讯录初始化函数InitCon修改

void InitCon(Con* cont)
{
  assert(cont);
  cont->data = (peo*)malloc(N * sizeof(peo));
  if (cont->data == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return;
  }
  cont->sz = 0;
  cont->capacity = N;
}

首先断言，之后我们给结构体数组分配初始值3个结构体大小空间，然后判断是否开辟成功，sz初始值为0，capacity初始值为我们开始设定的N也就是3。

增加检查容量函数

int CheckCapacity(Con* cont)
{
  if (cont->sz == cont->capacity)
  {
    peo* tmp = (peo*)realloc(cont->data, (cont->capacity + INC) * sizeof(peo));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("relloc");
      return 0;
    }
    else
    {
      cont->data = tmp;
      cont->capacity += INC;
      printf("增容成功");
      return 1;
    }
  }
  return 1;
}

这里我们用于判断容量是否已满，如果已满，我们则使用realloc函数进行扩容，这时我们不能直接扩容，而是要先用临时指针，如果空间申请成功，再将地址赋给通讯录，如果未申请成功，则为NULL指针，提示后返回0，增容成功，tmp地址传给data，容量+2，并提示增容成功，返回1，无需增容也返回1.

增加联系人函数add修改

void add(Con* cont)
{
  assert(cont);
  if (0 == CheckCapacity(cont))
    return;
  printf("请输入要添加联系人的信息:\n");
  printf("请输入姓名:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].name);
  printf("请输入性别:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].sex);
  printf("请输入年龄:");
  scanf("%d", &cont->data[cont->sz].age);
  printf("请输入电话:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].tele);
  printf("请输入地址:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].addr);
  cont->sz++;
  printf("添加成功\n");
}

把之前的条件判断改为容量函数的复用，若为0，直接返回退出。

增加函数销毁动态申请的空间DistoryCon

void DistoryCon(Con* cont)
{
  free(cont->data);
  cont->data = NULL;
  cont->capacity = 0;
  cont->sz = 0;
}

这个函数是为了将已申请的空间还给内存，防止内存泄漏。

4.3 main.c文件改动

这个文件只有一处改动，就是在switch语句中的case 0处增加了销毁动态申请的空间函数DistoryCon调用

4.4 动态版通讯录全部文件代码

//contact.h

#pragma once
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#define NAME_MAX 10
#define SEX_MAX 6
#define ADDR_MAX 20
#define TELE_MAX 12
#define N 3
#define INC 2
typedef struct people
{
  char name[NAME_MAX];
  char sex[SEX_MAX];
  int age;
  char tele[TELE_MAX];
  char addr[ADDR_MAX];
}peo;
typedef struct Contact
{
  peo* data;
  int capacity;
  int sz;
}Con;
enum
{
  EXIT,
  ADD,
  DEL,
  MOD,
  SEARCH,
  SHOW,
  DISTORY,
  QSORT
};
void InitCon(Con* cont);
void add(Con* cont);
void show(const Con* cont);
int FindName(const Con* cont, const char* name);
void del(Con* cont);
void mod(Con* cont);
void sel(const Con* cont);
void Distory(Con* cont);
int cmp_stu_by_name(const void* p1, const void* p2);
void DistoryCon(Con* cont);

//contact.c

#include "contact.h"
void InitCon(Con* cont)
{
  assert(cont);
  cont->data = (peo*)malloc(N * sizeof(peo));
  if (cont->data == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return;
  }
  cont->sz = 0;
  cont->capacity = N;
}
int CheckCapacity(Con* cont)
{
  if (cont->sz == cont->capacity)
  {
    peo* tmp = (peo*)realloc(cont->data, (cont->capacity + INC) * sizeof(peo));
    if (tmp == NULL)
    {
      perror("relloc");
      return 0;
    }
    else
    {
      cont->data = tmp;
      cont->capacity += INC;
      printf("增容成功");
      return 1;
    }
  }
  return 1;
}
void add(Con* cont)
{
  assert(cont);
  if (0 == CheckCapacity(cont))
    return;
  printf("请输入要添加联系人的信息:\n");
  printf("请输入姓名:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].name);
  printf("请输入性别:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].sex);
  printf("请输入年龄:");
  scanf("%d", &cont->data[cont->sz].age);
  printf("请输入电话:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].tele);
  printf("请输入地址:");
  scanf("%s", cont->data[cont->sz].addr);
  cont->sz++;
  printf("添加成功\n");
}
void show(const Con* cont)
{
  assert(cont);
  int i = 0;
  printf("        通讯录\n");
  printf("  +---------------------------------------------------------------+\n");
  printf("  |姓名   性别  年龄  电话    地址    |\n");
  for (i = 0; i < cont->sz; i++)
  {
    printf("  |%-10s  %-5s  %-5d  %-11s %-15s |\n", cont->data[i].name, cont->data[i].sex, cont->data[i].age, cont->data[i].tele, cont->data[i].addr);
  }
  printf("  +---------------------------------------------------------------+\n");
}
int FindName(const Con* cont, const char* name)//查找人函数
{
  assert(cont && name);//防止传入空指针
  int i = 0;
  for (i = 0; i < cont->sz; i++)
  {
    if (!strcmp(cont->data[i].name, name))//查找通讯录是否有这个名字
    {
      return i;//有就返回下标
    }
  }
  return -1;//没有返回一个负数.
}
void del(Con* cont)//删除联系人函数
{
  assert(cont);//防止传入空指针
  int i = 0;
  char name[NAME_MAX];
  printf("请输入需要删除的联系人的姓名:\n");
  scanf("%s", name);
  i = FindName(cont, name);
  if (i == -1)
  {
    printf("通讯录中没有该联系人,删除失败\n");
    return;
  }
  for (; i < cont->sz - 1; i++)//注意这里sz要-1,因为下面用到了i+1下标
  {
    cont->data[i] = cont->data[i + 1];
  }
  cont->sz--;
  printf("删除成功,姓名为%s的联系人已删除\n", name);
}
void mod(Con* cont)//修改联系人函数
{
  assert(cont);//防止传入空指针
  int ret = 0;
  char name[NAME_MAX];
  printf("请输入要修改的联系人的姓名:\n");
  scanf("%s", name);
  ret = FindName(cont, name);
  if (ret == -1)
  {
    printf("通讯录中没有该联系人,修改失败\n");
    return;
  }
  printf("请输入修改后联系人的信息:\n");
  printf("请输入姓名:");
  scanf("%s", cont->data[ret].name);
  printf("请输入性别:");
  scanf("%s", cont->data[ret].sex);
  printf("请输入年龄:");
  scanf("%d", &cont->data[ret].age);
  printf("请输入电话:");
  scanf("%s", cont->data[ret].tele);
  printf("请输入地址:");
  scanf("%s", cont->data[ret].addr);
  printf("修改成功.\n");
}
void sel(const Con* cont)//查询联系人函数
{
  char name[NAME_MAX];
  printf("请输入要查询的联系人的名字:\n");
  scanf("%s", name);
  int ret = FindName(cont, name);
  if (ret == -1)
  {
    printf("通讯录中没有该联系人,查询失败.\n");
    return;
  }
  printf("查询成功,该联系信息如下:\n");
  printf("  +---------------------------------------------------------------+\n");
  printf("  |姓名   性别  年龄  电话    地址    |\n");
  printf("  |%-10s  %-5s  %-5d  %-11s %-15s |\n", cont->data[ret].name, cont->data[ret].sex, cont->data[ret].age, cont->data[ret].tele, cont->data[ret].addr);
  printf("  +---------------------------------------------------------------+\n");
}
void Distory(Con* cont)
{
  assert(cont);
  cont->sz = 0;
  printf("全部联系人删除成功!\n");
}
int cmp_stu_by_name(const void* p1, const void* p2)
{
  return strcmp(((peo*)p1)->name, ((peo*)p2)->name);
}
void DistoryCon(Con* cont)
{
  free(cont->data);
  cont->data = NULL;
  cont->capacity = 0;
  cont->sz = 0;
}

//main.c

#include"contact.h"
void menu()
{
  printf("\n        欢迎使用通讯录:\n");
  printf("  +-------------------------------------------------------------+\n");
  printf("  | 1.添加联系人     2.删除联系人       |\n");
  printf("  | 3.修改联系人     4.查询联系人       |\n");
  printf("  | 5.展示通讯录     6.删除全部联系人      |\n");
  printf("  | 7.排序联系人           0.退出通讯录       |\n");
  printf("  +-------------------------------------------------------------+\n");
  printf("请选择:");
}
int main()
{
  int input = 0;
  Con cont;
  InitCon(&cont);
  while (1) {
    do
    {
      menu();
      scanf("%d", &input);
      switch (input)
      {
      case EXIT:
        DistoryCon(&cont);
        printf("退出通讯录");
        break;
      case ADD:
        add(&cont);
        break;
      case DEL:
        del(&cont);
        break;
      case MOD:
        mod(&cont);
        break;
      case SEARCH:
        sel(&cont);
        break;
      case SHOW:
        show(&cont);
        break;
      case DISTORY:
        Distory(&cont);
        break;
      case QSORT:
        qsort(cont.data, cont.sz, sizeof(peo), cmp_stu_by_name);
        printf("排序成功\n");
        break;
      default:
        printf("输入错误");
        break;
      }
    } while (input);
    break;
  }
  return 0;
}

5.结语

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在时间的催化剂下，让我们彼此都成为更优秀的人吧！！！

C语言进阶之通讯录的实现(静态版和动态版）以及动态内存管理（下）