动态内存管理

标签：malloc 管理 int free 内存 动态内存 NULL ptr

1. 为什么要有动态内存分配

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，数组空间一旦确定了大小不能调整 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。 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。

2. malloc和free 

2.1malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：

1 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。

注： malloc函数参数单位是字节，申请空间成功，返回起始地址，申请失败，返回NULL，头文            件为<stdlib.h>.

2.2malloc申请的空间和数组的区别

      1.malloc开辟的动态内存的大小是可以调整的，数组是死的，开辟了就调整不了了。

      2.开辟空间的位置不一样（见附表），数组在栈区，malloc函数在堆区。

2.3 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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 5; i++)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d", *(ptr + i));
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

 注：1.free(p)之后，P指向的空间不属于当前程序，但是还是找得到这个空间，P就是野指针，如             果不释放的话，程序结束的时候也会被操作系统自动回收。       

        2. malloc和free最好成对使用。

3. calloc和realloc

3.1 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。  

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = calloc(10, sizeof(int));
   if(ptr==NULL)
    {
	 perror("calloc");                 //返回错误原因，上例的malloc函数最好也加上
	 return 1;
	}
   else

                   //必须检验一下，保证严谨  
   {
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d", *(ptr + i));
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

 所以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。

3.2 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。 函数原型如下：

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： ◦ 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：

（1）找新的满足大小的空间，开辟好

（2）将旧空间的数据拷贝过来

（3）释放旧的空间

情况3：

      开辟失败了，那此时应怎样接收呢？不妨看一下如下代码：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(ptr + i) = i+1;
		}
	}
	int* p = (int*)realloc(ptr, 80);     //扩大空间
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	else 
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	for (int y = 10; y < 20; y++)
	{
		*(ptr + y) = y + 1;
	}
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//释放
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

在这里，保险起见，不论是情况几，都要检验一下开辟是否失败！！！

3.3realloc说明

其实在某些特定情况下，realloc也能申请空间，而不仅仅是调整空间（作用等同于malloc),代码如下：

int main
{
  realloc(NULL,20);          //等价于malloc(20)
  return 0;
}

 4. 常见的动态内存的错误

注意：以下代码都是错误的，请勿模仿！！！

注意：以下代码都是错误的，请勿模仿！！！

注意：以下代码都是错误的，请勿模仿！！！

4.1 对NULL指针的解引用操作，引发程序崩溃

 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);
 }

这是很常见的错误，也由此可见，检验是否开辟成功是很重要的！

4.2 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);
 }

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 1;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	free(p);       //此处错了，此时的p指向的是开辟的空间的第6个地址，不是起始地址！！！
	p = NULL;
	return 0;
}

写类似的代码时，正确的做法是这样的：我们不会去让p亲自去跑，而是会在创建一个指针变量，让其去跑，（有点像代理人），而起始地址永远掌握在自己手中。

4.5 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
}

这会导致程序崩溃

4.6 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。

5. 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 st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

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。

6.2 柔性数组的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	//业务处理
	p->i = 100;       //找到结构体中i变量,并将其赋值为100
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势 

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。

                                 附                                  表

局部变量，形式参数	栈区
动态内存malloc,free,calloc,realloc	堆区
全局变量，static修饰的静态变量	静态区

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。

 

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