【C语言进阶】动态内存管理（详细介绍）

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前言

C语言中提供了很多数据类型，有基本数据类型、指针类型、自定义类型和空类型。我们可以根据需要选择合适的数据类型使用，当需要较大空间时我们可以选择数组、结构体等类型。但这些并不能够满足编程需求，例如在不知道具体所需内存大小的情况下直接定义变量分配内存就有可能造成内存浪费。在C语言中，动态内存管理就可以很好的解决这一问题。使用动态内存管理函数，程序员可以根据需求随时向系统分配申请空间，当这块空间用完时在及时释放归还给系统。

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

一 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：

变量：int a=30;//在栈空间上开辟四个字节
数组：char arr[100] = {0};//在栈空间上开辟100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，当不知道需要多大内存或者需要动态申请内存空间时，可以使用动态内存分配解决一次性分配太多内存造成内存浪费的问题。

二 动态内存分配的区域

三 动态内存函数的介绍

3.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数:



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。

1.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
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。
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。
eg:开辟10个整形的空间 int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
4.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，函数原型如下:

 void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

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。
错误实例：

int main()
{
    
    
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//err
return 0;
}

2.如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做

例子1：

#include <stdio.h>
int main()
{
    
    
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(4*sizeof(int));
if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
    
    
int i = 0;
for(i=0; i<4; i++)
{
    
    
*(ptr+i) = 0；
}
}
free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;//是否有必要？
return 0;
}

问题：代码最后一步，释放完成后有必要将指针置空吗？
如果不置空，虽然ptr已经被释放，但是ptr依然指向之前分配的那块空间的地址。这样就会存在这样一种可能：系统将这块空间分配给其他程序，但ptr还指向这块空间，如果错误使用ptr就会造成这块空间被污染，导致一些难以预料的后果。如果置空，ptr不在指向这块空间，就不会造成这个问题。

3.2 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.

1.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。
2.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。

例子2：

int main()
{
    
    
	int* p = calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
		return 1;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
    
		printf("%d\n", *(p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.3 realloc

函数原型如下：

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

realloc的函数的作用是对动态分配好的内存空间的大小进行调整。当我们一次性开辟的内存不够时，可以利用这个函数进行二次分配。

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

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：原有空间之后没有足够大的空间

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

注意：
1.realloc函数必须是对malloc函数或者calloc函数申请的空间进行修改。
2.realloc有可能找不到合适的空间来调整大小，这时就返回 NULL

拓展：
realloc在单独使用的时候功能类似malloc
eg:

int main()
{
    
    
	int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//这里功能类似于malloc，就是直接在堆区开辟40个字节

	return 0;
}

四 常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

实例1：

int main()
{
    
    
	int* p = (int*)malloc(10000000);
	int i = 0;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
    
    
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

上面代码没有对使用malloc函数申请的空间进行判断，如果申请空间失败，就会返回空指针，这时在进行解引用就会出现问题。

4.2 对动态开辟空间的越界访问

动态开辟空间的越界访问是非法访问指在开辟的空间的范围外的空间。虽然说动态开辟空间的越界访问不一定会报错，但实际写代码时是坚决不允许对空间越界访问的

实例2：

int main()
{
    
    
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
    
    
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//越界访问
	for (i = 0; i < 40; i++)
	{
    
    
		*(p + i) = i;
	}
	
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

实例3：

int main()
{
    
    
	int arr[10] = {
    
     0 };//栈区
	int* p = arr;
	free(p);//使用free释放非动态开辟的空间
	p = NULL;

	return 0;
}

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

实例4：

void test()
{
    
    
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

4.5 对同一块动态内存多次释放

实例5：

void test() 
{
    
    
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

实例6：

void test()
{
    
    
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
    
    
*p = 20;
}
}
int main()
{
    
    
test();
//........
return 0;
}

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(释放多次、释放一部分等都是不正确的释放)
后果分析：

动态开辟的空间有两种回收方式：
1.主动free
2.程序结束

对于简单的程序即使忘记释放不再使用的动态开辟的空间在程序结束后会自动回收，不会造成实质性的影响。但如果是24小时持续工作的服务器程序，如果忘记释放不再使用的动态开辟的空间，每天都会造成一些内存泄露，直到机器会挂掉。

五 C/C++程序的内存开辟

如图：

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，程序结束时可能由操作系统回收 。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。

注意：
通过上图我们知道就可以知道static关键字修饰局部变量的特点:

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。

六 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
例如：

struct S
{
    
    
	int n;
	int arr[0];//大小是未知
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

struct S
{
    
    
	int n;//4
	int arr[];//大小是未知
};

6.1 柔性数组的特点

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

举例：

struct S
{
    
    
	int n;//4
	int arr[0];//大小是未知
};

int main()
{
    
    
	struct S s = {
    
    0};
	printf("%d\n", sizeof(s));
	return 0;
}

运行结果：

3.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。

6.2 柔性数组的使用

代码 A:

struct S
{
    
    
	int n;
	int arr[0];//大小是未知
};

int main()
{
    
    
	//期望arr的大小是10个整形
	struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
	ps->n = 10;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
    
		ps->arr[i] = i;
	}
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

使用指针实现上述功能：

代码 B：

struct S
{
    
    
	int n;
	int* arr;
};

int main()
{
    
    
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->n = 10;
	ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ps->arr == NULL)
		return 1;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
    
    
		ps->arr[i] = i;
	}
	//释放空间
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

上述代码 A 和代码 B 可以完成同样的功能，但是 代码A 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，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
柔性数组的内存开辟是连续的内存，有益于一定程度上提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

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附笔试题

动态内存管理经典笔试题

总结

关于动态内存管理的内容就分享到这里。