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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：
- 空间开辟大小是固定的。
- 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。
动态内存管理能力：
malloc
free
calloc
realloc
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);
- 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。
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：
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。
（ptr必须是malloc等动态内存开辟的函数定义的）
- 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
int main()
{
int* p = NULL;
free(p);//什么事也不发生
return 0;
}malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//固定的，无法改变
//int arr1[10];//40字节
//char arr2[40];//40字节
//申请空间
int* ptr = (int*)malloc(40);
int* p = ptr;
//检查返回值
if (p == NULL)
{
perror("malloc");//打印错误
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//释放空间
free(ptr);
ptr = NULL;
//*ptr = 100;//非法访问
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，就会形成内存泄漏的问题
后果很严重！！！内存被耗干，电脑会死机
2.2 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()
{
//申请10个整型的空间
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));//0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
}
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。
2.3 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。
函数原型如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
- ptr 是要调整的内存地址
- size是 调整之后新大小（字节）
- 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。
注意：扩容失败也会返回空指针
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，释放
return 0;
}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(1000);
int i = 0;
//解决办法：对malloc函数的返回值进行判空操作
if (p == NULL)
{
//...
return 1;
}
//使用
for (i = 0; i < 200; i++)
{
*(p + i) = i;//当i=0时相当于p=NULL，不能对空指针解引用操作
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}3.2 对动态开辟空间的越界访问
//解决办法：对内界边界要检查
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
int i = 0;
if (p == NULL)
{
//...
return 1;
}
//使用
//可能越界访问
for (i = 0; i <= 20; i++)
{
*(p + i) = i;//条件写成了<=,会使当i是20的时候越界访问
}
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;
//局部变量编译器会释放，自己创建自己销毁
//...
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
//解决方法
int* ptr = p;
if (p == NULL)
{
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
//p = NULL;
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}3.5 对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
free(p);
//...
free(p);//err重复释放
p = NULL;
return 0;
}3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
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 。
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
//忘记释放
if(1)
return;
free(p);
p=NULL;//特殊情况，照样会内存泄漏
}
int main()
{
test();
while(1)
{
;
}
}4. 几个经典的笔试题
试题1
#include <string.h>
//1.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//什么也没有
//被注释的代码是添加的正确写法
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);//内存泄漏
// *p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
//如何改正：
// GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");//对空指针的解引用操作，程序奔溃
printf(str);
//free(str);
//str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}//两种写法都没有问题
int main()
{
char* p = "hehe\n";
printf("hehe\n");//传过去的是字符串首元素地址
char arr[] = "hehe\n";
printf(arr);
return o;
}试题2
//2.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//烫烫烫烫烫烫烫烫铁?
//返回栈空间地址的问题
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);//str野指针
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
//举例
int* test()
{
int a = 10;
return &a;
}
int main()
{
int* p = test();
return 0;
}
试题3
//3.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//hello，但代码中没有free
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//忘记释放
//正确改法：
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}试题4
//4.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//world
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);//hello这部分空间已经被回收了
//str = NULL;//free之后要把指针置为空下面的判断才有意义
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");//非法操作，野指针
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
5. C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。（栈溢出） 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。
- 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（操作系统）回收。分配方式类似于链表。
- 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。
- 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
6. 柔性数组
C99 中，结构体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
}type_a;
//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;
int main()
{
return 0;
}6.1 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;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
return 0;
}6.2 柔性数组的使用
//代码1
struct S3
{
int num;//4
int arr[];
};
int main()
{
//printf("%d\n", sizeof(struct S3));//?
struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3)+40);
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
ps->num = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//for (i = 0; i < 10; i++)
//{
// printf("%d ", ps->arr[i]);
//}
//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 = 10; i < 20; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}//初始化
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}6.3 柔性数组的优势
//代码2
struct S4
{
int num;
int* arr;
};
int main()
{
struct S4* ps = (struct S4*)malloc(sizeof(struct S4));
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;
}上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法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。