动态内存管理

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。

由于所需要的内存大小不确定，所以使用动态内存空间开辟

2.动态内存函数的介绍

malloc和free

头文件都是stdlib.h

void* malloc (size_t size);
size是字节数

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。
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。

 

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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。

int main()
{
	//申请空间
	int* ptr = (int*)malloc(INT_MAX);
	int* p = ptr;
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放空间
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

当我们不释放动态申请的内存的时候
如果程序结束，动态申请的内存由操作系统自动回收
但是如果程序不结束，动态内存是不会自动回收的，就会形成内存泄露的问题

 free的参数一定要是指向动态内存空间的起始地址

当free释放后不能给*ptr赋值，所以设置为NULL

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。

int main()
{
	//int*p = (int*)malloc(40);
	//申请10个整形的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//calloc申请的空间会被初始化为0
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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。

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：

第一种情况：原有空间足够大

第二种情况：原有空间之后没有足够大空间

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

 

 realloc的使用

int main()
{
	int*p = (int*)malloc(40);
	
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
	}

	//空间不够，希望能放20个元素，考虑扩容
	int*ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}

	//扩容成功了，开始使用

	//不再使用，就释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

常见的动态内存错误

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.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);
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

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

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
}

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
}

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 。

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笔试题

第一题

void GetMemory(char *p) 
{
 p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

 指针传参时易错

 

 printf打印时，可以直接放指针名字和数字名字，都表示首元素地址。（printf有解引用的操作）

本题的错误点 

 修改后

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void GetMemory(char** p) 
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void) 
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

第二题

char *GetMemory(void) 
{
 char p[] = "hello world";
 return p; 
}
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

 

​​​​​​​  

 ​​​​​​​

第三题

void GetMemory(char **p, int num) 
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void) 
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

这只是忘记释放了

第四题

void Test(void) 
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 str=NULL；
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

str要在最后再设置为NULL

内存的开辟

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。

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。

柔性数组 

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。

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

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。

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

柔性数组主要用于未知存放的数据大小，可进行扩容自定义内存大小

方法一

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

int main()
{
	type_a* ps = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 10 * sizeof(int));
	//业务处理（这样柔性数组成员a，相当于获得了10个整型元素的连续空间）
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->i = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->a[i] = i;
	}
	//扩容
	type_a* ptr = (type_a*)realloc(ps, sizeof(type_a) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc\n");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->a[i] = i;
	}
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
}

方法二

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;
}

方法一更好

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）