C语言拯救者（动态内存管理--13）

为什么存在动态内存分配

1.1 动态内存函数:malloc

作用：动态开辟内存空间

1.2 free

3.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

1.3 calloc

1.4 realloc

2. 常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作，非法访问内存

2.2 对动态开辟空间的越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

2.5 对同一块动态内存多次释放

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

4. C/C++程序的内存分配的几个区域：

5. 柔性数组

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。

5.1 柔性数组的特点：

5.2 柔性数组的使用

5.3 柔性数组的优势

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。

3.动态内存管理分配的是堆区的内存

1.1 动态内存函数:malloc

作用：动态开辟内存空间

void *malloc( size_t size );

注意事项：

1.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。

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。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

	return 0;
}

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（强转）。

int* ptr = (int*)malloc(40);

4.开辟好空间后，结束使用时要释放空间，free函数用来释放动态开辟的内存

5. 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。

1.2 free

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	int* p = ptr;//记住起始地址
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");//检查返回值
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放空间
	free(ptr);
	ptr = NULL;//规避野指针
	return 0;
}

注意事项：

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。

3.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

int main()
{
	while (1)
	{
	malloc(1000);//程序运行时观察内存使用情况
	}
	return 0;
}

1.3 calloc

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;
}

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

1.4 realloc

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

作用：调整动态开辟的内存空间，重新分配内存块

ptr 是要调整的内存地址 size 调整之后新大小

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
    //p = (int*)realloc(p, 80);//错误的写法，万一空间不够，把原地址也弄丢了
	int*ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;//考虑如果扩容失败，也要判断realloc的返回值
	}

	//扩容成功了，开始使用

	//不再使用，就释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

注意事项：

1.返回值为调整之后的内存起始位置。

2.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。

2. 常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作，非法访问内存

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(1000);
	int i = 0;
	//使用
	for (i = 0; i < 250; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

正确写法

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(1000);
	int i = 0;
	if (p == NULL)
	{
		//....
		return 1;
	}
	//使用
	for (i = 0; i < 250; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

解决办法：对malloc函数的返回值进行判断

2.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int i = 0;
	if (p == NULL)
	{
		//....
		return 1;
	}
	//使用
	for (i = 0; i <= 25; i++)//越界访问了
	{
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

解决办法：对内存边界要检查

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

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。

int main()
{
	int a = 10;

	int* p = &a;
	//.....

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

解决办法：给自己几个大逼兜

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	//释放空间
	free(p);//err
	p = NULL;

	return 0;
}

解决方法：此时p指针已经不指向起始地址了，p指向第十一个整形空间，如果我们释放空间，就必须在起始地址释放空间

2.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = malloc(100);
	if (p == NULL)
		return 1;
	
	free(p);
	//....
	free(p);//err

	p = NULL;

	return 0;
}

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = malloc(100);
	//使用
	if (1)
		return;//没有释放，也没人知道起始地址

	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
	test();
	//.....
	while (1)
	{
		;
	}

	return 0;
}

实际情况：程序运行着突然挂了，打开后可以正常运行，但过一段时间又挂了，就是因为malloc一直在吃内存，最后内存耗干

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

3. 经典的笔试题

3.1 题目1：

#include <string.h>
#include <stdio.h>

void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);//正常写法，printf只需要知道字符串地址即可打印
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：程序崩溃

分析原因：

1.str是指针变量，char* p也是指针变量，p是str的临时拷贝，传的不是str地址，而是传过去的是str本身形参NULL，GetMemory函数中创建的局部变量出函数就销毁，malloc开辟的100个字节内存空间，其中起始地址存放在p中，出函数地址p被销毁了，存在内存泄漏。

2.strcpy（NULL，“hello world”）进行拷贝，对NULL指针解应用，非法内存访问，这一步程序崩溃

正确修改：

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;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

3.2 题目2：

char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：

分析原因：函数结束后char p数组销毁，返回p的地址（此时p指针是野指针）再打印，造成非法访问内存。

3.3 题目3：

void GetMemory(char **p, int num)
{
 *p = (char *)malloc(num);
}

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

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：打印hello

分析原因：p没有判断是否为NULL指针；同时malloc申请的空间没有释放，我们只需要free，再置为NULL指针即可

3.4 题目4：

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


int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：

分析原因：拷贝完后free释放，malloc空间已经回收，但是str指针还记得起始地址，还去拷贝使用str的空间，非法操作，造成野指针

所以当我们free完后马上把指针置为NULL，一个好习惯

4. C/C++程序的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。

5. 柔性数组

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。

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员,写成0不代表0个元素，而是代表大小是未知的
//int a[];//另一种写法
}type_a;

柔性数组必须得使用动态内存方式才能使用

5.1 柔性数组的特点：

struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));//?
	return 0;
}

打印出来是4个字节

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。

struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
	struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3)+40);//不能只开辟4个空间
    //假设我们希望数组能存放10个整形，+40，malloc总体开辟大小是44个字节
    //前4个字节给了num，后40个字节给了arr
	return 0;
}

5.2 柔性数组的使用

struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
	struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3)+40);
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;

	//扩容
	struct S3* ptr = (struct S3*)realloc(ps, sizeof(struct S3)+80);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc\n");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}

	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

realloc可对arr柔性数组调整大小

但是我们为什么要搞出来一个柔性数组的概念呢？我们换一种写法是不是也可以模拟柔性数组？

struct S4
{
	int num;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S4* ps = (struct S4*)malloc(sizeof(struct S4));//让struct S4也放到堆上去
	if (ps == NULL)
	{
		return 1;
	}
	ps->arr = (int*)malloc(40);
	if (ps->arr == NULL)
	{
		free(ps);
		ps = NULL;
		return 1;
	}
	//使用
	//...
	
	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;

	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

5.3 柔性数组的优势

使用柔性数组第一个好处是：方便内存释放

S4模拟柔性数组时，要释放内存必须得先释放arr指向的空间，再释放arr指针，而柔性数组是一次malloc出来，只需一次释放

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（提高内存利用率）。CPU在寄存器中拿取数据，根据局部性原理数据在被访问时，会把周围数据加载到寄存器中，当访问到后面数据时，这时候CPU访问数据时在寄存器中命中概率会高一些。

如果在寄存器中没有发现数据，CPU会去缓存->内存拿取，直到找到对应数据