【C语言：动态内存管理】

前言

文章的标题是动态内存管理，那什么是动态内存管理？为什么有动态内存管理呢？
回顾一下以前学的知识，我们已经掌握的开辟内存的方式有以下几种：

char ch = 'a';
int val = 10;
float f_val = 12.8f;
int arr[20] = {
    
     0 };
//....

上述开辟内存的方式有几个弊端：

1. 开辟空间的大小是固定的
2. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间⼀旦确定了大小就不能调整了

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，那数组在编译时就开辟空间的方式就不能满⾜了。
C语言引⼊了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

1.malloc

这个函数的功能是：向内存申请一块连续的内存空间，然后返回一个指向该空间的起始地址的指针。

• 如果空间开辟成功，则返回一个指向该空间起始地址的指针。
• 如果空间开辟失败，则返回一个NULL指针。因此，函数的返回值需要做检查
• 开辟的空间不会被初始化。
• 返回值的类型是void*，所以该函数并不知道所开辟空间的类型，需要空间的使用者自己决定。
• 当该函数的参数是0是，返回值是未定义的，取决于编译器。
• 头文件stdlib.h

使用malloc函数申请40个字节的空间

当函数的参数是0时，vs2019中是随机值

既然空间是程序员申请的，那么最后由谁释放呢？

1. 程序员自己释放。
2. 程序结束，操作系统回收

下面就来介绍如何释放

2.free

C语言提供了另外⼀个函数free，专⻔是⽤来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

• 该函数用来释放由malloc、calloc、realloc申请的空间的
• 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。
• 该函数不会改变指针ptr的值，因此为了避免野指针的出现，要将其及时置为NULL。

3.calloc

该函数的功能跟malloc差不多，区别在于：

• 该函数的参数有两个，一个是有几个元素，一个是每个元素的大小。
• 该函数会将申请的空间初始化为全0。

4.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，那为了合理的使用内存，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。

• 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连续空间来使⽤。这样函数返回的是⼀个新的内存地址。

既然该函数有两种特殊情况，那我们在使用时也应该更加注意：
下面的代码有没有问题呢？

int main()
{
    
    
	//1. 先申请一部分空间
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (NULL == p)
	{
    
    
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//2.扩容空间
	p = (int*)realloc(p, 40);
	if (NULL == p)
	{
    
    
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//3.使用
	//.......
	
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

假如realloc开辟空间失败了，那么它会返回一个空指针，p就是空指针了。
好家伙，没给我扩容成功，我以前的数据也没了，真可以！
所以在接收realloc的返回值时，我们应该使用你一个临时变量接收，判断临时变量是不是空指针，然后再对p进行操作。
所以，应该这样写：

#include<stdlib.h>

int main()
{
    
    
	//1. 先申请一部分空间
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (NULL == p)
	{
    
    
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//2.扩容空间
	int* tmp = NULL;
	tmp = (int*)realloc(p, 40);
	//先判断realloc的返回值
	if (tmp != NULL)
	{
    
    
		p = tmp;
		tmp = NULL;
	}
	//3.使用
	//....
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

5.动态内存常见错误

1. 对NULL指针的解引用操作
2. 对动态开辟空间的越界访问
3. 对非动态开辟内存使用free释放

4. 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

5. 对同⼀块动态内存多次释放

6. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

6.动态内存经典笔试题分析

1. 题目一

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

此处是值传递，并不会为str真正开辟空间，str还是NULL。

2. 题目二

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

p变量生命周期为GetMemory函数内，函数结束，变量销毁。使用一个已经被销毁的变量的地址，结果是不可预测的

3.题目三

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

str指向的空间被释放，那么str就是野指针了，但是str还是指向那块内存空间；向str中拷贝world,那就是非法访问了。

7.柔性数组

1. 什么是柔性数组

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。

struct s
{
    
    
	int i;
	char ch;
	int a[];  //int a[0]
};

其中a就是一个柔性数组。

2. 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体用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体的大小，以适应柔性数组的预期大小。

3. 柔性数组的使用

如果我们不使用柔性数组，那么如何实现上述代码呢？

虽然不适用柔性数组也能达到目的，但使用柔性数组有两个好处：

1. 方便内存的释放

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⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次free就可以把所有的内存也给释放掉。

2. 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。

8.C/C++中的内存区域划分

1. 栈区

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

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。分配⽅方式似于链表。

3. 静态区

数据段（静态区）：存放全局变量、static修饰的变量。程序结束后由系统释放。

4. 代码段

代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码。

本次的分享就到这里啦！如有错误请纠正。