C语言——动态内存管理
1. 为什么需要动态内存管理
我们以往定义数组，都是这么定义的：
int nums[10] = {0};
以这种方式开辟空间有两个特点：
- 空间开辟的大小是固定的
- 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配
因此就导致了这样一个现象：我们无法在后续的过程中修改数组的大小，这是一个十分麻烦的事情
而为了解决这个问题，我们就需要学习动态内存开辟了
2. 动态内存函数的介绍
注：需要头文件
<stdlib.h>需要知道，和静态开辟空间不一样，计算机是在堆上开辟的动态空间
2.1 malloc
void* malloc (size_t size);
这个函数向内存申请一块大小为size字节的连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针
- 如果开辟成功，则返回一个指向这块空间的指针
- 如果开辟失败，则返回一个空指针（NULL），因此我们一定要对
malloc的返回值作有效性的判断 - 返回值为
void *，因此当我们用指针变量接受这个返回值时，我们要将这个返回值强制转换为需要的类型 - 如果参数
size为0，malloc的行为是标准未定义的，
例如：
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { //向内存申请40个字节的空间，并将返回的指针强制转换成int*型，并将其赋予指针nums int *nums = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); //检验返回值的有效性 if (nums == NULL) { perror("malloc"); return 1; } //循环打印nums指向空间的值 for (int i = 0; i < 10; i++) printf("%d\n", *(nums + i)); free(nums); nums = NULL; return 0; }
output:
-842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451
- 这说明，malloc申请到空间后，是不会对该空间初始化的
2.2 free
需要注意：凡是动态申请的内存，除非整个程序结束，申请的内存是不会主动归还给系统的，为了避免内存泄漏，我们应该使用函数free来将申请的内存释放
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 - 正常释放后，ptr指向不明，称为野指针，因此，应该置为空(NULL)
例如：
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { //向内存申请40个字节的空间，并将返回的指针强制转换成int*型，并将其赋予指针nums int *nums = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); //检验返回值的有效性 if (nums == NULL) { perror("malloc"); return 1; } free(nums); //释放ptr所指向的动态内存 nums = NULL; //将野指针置空 return 0; }
2.3calloc
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会在返回指针之前把申请的空间的每个字节初始化为0
例如：
##include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { //申请10个大小为4的空间，并让指针nums指向它 int* nums = (int*)calloc(10, sizeof(int)); //判断返回值的有效性 if(nums == NULL) { perror("calloc"); return 1; } //打印nums指向空间的元素 for (int i = 0; i < 10; i++) printf("%d\n", *(nums + i)); free(nums); nums = NULL; return 0; }
output:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2.4 realloc
所谓的动态内存管理，“内存管理”我们好像已经会了，那这个“动”又是怎么做到的呢？我们前面所学的malloc, calloc好像并不能让申请的内存动起来呀。
要想实现对内存的增加或减小，就需要我们的函数realloc：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
ptr是要调整的内存地址
- 如果ptr不为空，那么就会修改ptr所指向空间的大小
- 如果ptr为空，那么就和
malloc的功能相似，会直接返回一个指向大小为size字节空间的指针
size为调整之后的大小- 返回值为调整之后的内存的起始位置
- 扩容后的空间不会被初始化
- 这个函数调整源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
ealloc在调整内存空间时存在两种情况：
- 情况一：原有空间之后有足够大的空间，那么就在原有的地方增容，并返回原来的起始地址
- 情况二：原有空间之后没有足够大的空间，那么就在合适的地方重新开辟一块大小为
size的空间，将原来空间的数据拷贝到新空间，再释放掉原来的空间，最后再返回新空间的起始地址
- 如果调整失败，就会返回空指针，为了考虑到这种情况，我们应该避免以下的代码：
//error example #include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (nums == NULL) { perror("malloc"); return 1; } //如果开辟失败，那么nums就成了空指针，前面nums管理的40个字节的空间就找不到了，这样就造成了内存泄漏 nums = (int*)realloc(nums, 20 * sizeof(int)); if (nums == NULL) { perror("realloc"); return 1; } free(nums); nums = NULL; return 0; }
- 正确的方式应该是这样的：
//right example #include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (nums == NULL) { perror("malloc"); return 1; } //先用一个中间变量temp接受 int* temp = (int*)realloc(nums, 20 * sizeof(int)); if (temp == NULL) { perror("realloc"); return 1; } //当temp有效时，再用nums接受 nums = temp; free(nums); nums = NULL; return 0; }
最后，再对realloc的具体使用举个例子：
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> int main() { //先动态开辟40个字节的内存 int* nums = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (nums == NULL) { perror("malloc"); return 1; } //将这块空间初始化为0 memset(nums, 0, 10 * sizeof(int)); //将这块空间扩容到60个字节，并先用中间变量temp接受 int* temp = (int*)realloc(nums, 15 * sizeof(int)); if (temp == NULL) { perror("realloc"); return 1; } //确定temp有效后再用nums指向temp nums = temp; //打印扩容后空间的数据 for (int i = 0; i < 15; i++) { printf("%d\n", nums[i]); } //释放内存 free(nums); nums = NULL; return 0; }
output：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451
3. 常见的关于动态内存开辟的错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
void test() { int *p = (int *)malloc(sizeof(int)); *p = 20; //如果p为空指针，就会有问题，一定先要检查返回指针的有效性 free(p) }
3.2 对动态开辟空间的越界访问
void test() { int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); if(NULL == p) { perror("malloc"); return 1; } for(int i = 0; i <= 10; i++) *(p + i) = i; //当i是10的时候就会越界访问 free(p); }
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test() { int nums[10] = {0}; free(nums); }
3.3 对同一块动态内存多次free释放
void test() { int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); if(NULL == p) { perror("malloc"); return 1; } free(p); free(p); }
3.4 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test() { int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); if(NULL == p) { perror("malloc"); return 1; } for(int i = 0; i < 10; i++) *(p + i) = i; }
4. 柔性数组（flexible array）
C99中，结构体中的最后一个元素允许是位置大小的数组，这就叫做柔性数组
例如：
typedef struct ST { int i; int a[0]; //柔性数组成员,也可以写成 a[]; }ST;
4.1 柔性数组的特点
- 柔性数组前至少有一个其他成员
sizeof返回的结构体大小不包含结构中柔性数组的内存，例如对于上面的代码：
printf("%d\n",sizeof(ST));
- output:
4
- 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，同样，也可以用
realloc进行增容，例如：
#include<stdio.h> #include<stdlib.h> typedef struct ST { int i; int a[]; //柔性数组成员 }ST; int main() { ST *st1 = (ST*)malloc(sizeof(ST) + sizeof(int) * 10); //向内存申请大小为结构大小加10个整型的内存空间 if (NULL == st1) { perror("malloc"); return 1; } st1->i = 10; //给空间赋值 for (int i = 0; i < 10; i++) (st1->a)[i] = i + 1; //打印空间元素 for (int i = 0; i < 10; i++) printf("%d\n", (st1->a)[i]); //增容，将内存扩大5个int型 ST* temp = (ST*)realloc(st1, sizeof(ST) + sizeof(int) * 15); if (NULL == temp) { perror("realloc"); return 1; } st1 = temp; //打印空间数据 for (int i = 0; i < 15; i++) printf("%d\n", (st1->a)[i]); //释放动态内存 free(st1); st1 = NULL; return 0; }
由上面的分析我们可以看到，我们完全可以在结构体里面创建一个整形指针（其他类型也可以），然后对其进行动态内存开辟就可以完全替代柔性数组的功能，因此柔性数组这一功能并不常用，我们仅作了解即可
