动态内存管理

动态内存管理

我们在C语言的学习中，有以下几种申请内存的方式：

为什么会存在动态内存管理

在以上两种我们掌握的开辟内存的方式当中，开辟的空间是有其特殊性的：

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，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。

malloc

void* malloc (size_t size);

功能和使用技巧：
*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.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
3.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。
4.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。
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。

下面还是老样子，直接上代码：

#include 
#include //使用malloc函数需要包含的头文件
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror(malloc);
		return 1;//此处表示返回异常
	}
	return 0;
}
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以上代码就是申请了40个字节的空间，交给一个具有int * 类型的指针变量p。
因为当malloc函数申请空间成功的时候，就会返回该空间的起始地址，该类型是void * 类型，因此需要进行强制类型转换才能进行一系列的操作。
而当申请内存失败的时候，返回的是一个NULL指针，因此在使用malloc开辟的空间之前需要判断一下该空间是否开辟成功。

那么当然也存在内存开辟失败的情况，那就是申请开辟的空间过大：

#include 
#include 
#include //使用INT_MAX需要包含的头文件

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	return 0;
}
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运行结果：

我们可以看到，申请内存空间过大，打印错误信息。

malloc申请空间的使用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	return 0;
}
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运行结果：

因为指针p指向的是开辟空间的起始地址，在使用的时候就按照指针的使用方法就好了。

free

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。
2.如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

我们在申请内存使用的时候，使用完之后当然要将申请使用的空间还给操作系统，而free函数就是用来释放malloc等一系列可以开辟内存函数申请空间的函数，下面直接上代码：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	return 0;
}
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free( p )；就可以指针p指向的申请的空间所释放掉，当然前提是指针p指向的空间是开辟空间的起始位置，不然会释放失败的。释放后的指针p是一个野指针，释放后要及时将指针p置为NULL。

注：如果忘记使用free释放空间的话，当程序退出的时候系统会自动回收内存。当然，万一你以后写的这个程序一直在运行，一直不回收空间的话，是不是就会对系统的工作造成影响呢？

calloc

函数参数：
void * calloc (size_t num, size_t size);

函数功能：
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。

举例：

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10 , sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	return 0;
}
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运行结果：

对于calloc函数来说，就是在malloc函数上进行更加细致的调整，不仅可以更加精确的申请所需要的空间的大小，还可以将申请空间自动初始化，这样就更加方便我们的使用和观察一些变量的改变。

realloc

功能：
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);
1.ptr 是要调整的内存地址
2.size 调整之后新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置。
4.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函数相较于malloc和calloc函数就比较特别一些，因为realloc函数所能做到的事情就更加复杂。下面举例：

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10 , sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	int* ptr = realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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以上的代码就是在申请了10个整形大小的字节的基础上将申请空间的大小调整为20个整形的大小。当然也有申请失败的情况，申请失败的情况下和malloc和calloc的返回值是一致的，都是NULL;而申请空间成功的情况下还有两种不同的情况：

3. 常见的动态内存错误

3.1 对空指针的解引用操作

此处malloc的返回值没有进行判断就对指针p进行了解引用操作，那么这个时候就可能会发生对空指针的解引用操作。

正确的做法：

在使用malloc开辟的空间之前对指针进行判断。

3.2 对动态开辟内存的越界访问

动态开辟的内存时有自己的空间范围的，不可以越界访问；当越界访问发生时，系统会报错，程序奔溃。

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5 对同一块动态内存多次释放

当对动态开辟的内存多次释放的时候，程序运行时报错，程序异常结束！

解决方法：

当然，最好的解决方法就是不要喝醉，不要对已经释放过的空间再次进行free操作。

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. C/C++程序的内存开辟

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。

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。
柔性数组的两种写法：

struct stu
{
	char i;
	char arr[0];
};
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也可以是这样子的：

struct stu
{
	char i;
	char arr[];
};
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注：数组中的大小可以写成0也可以不写，这是根据编译器决定的。

5.1 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。

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。

struct stu
{
	char i;
	char arr[0];
};
int main()
{
	struct stu* pc = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + 20);

	return 0;
}
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当然，既然是动态开辟的内存，后续也是对柔性数组的空间大小进行调整的:

struct stu
{
	char i;
	char arr[0];
};
int main()
{
	struct stu* pc = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	struct stu* str = (struct stu*)realloc( pc ,sizeof(struct stu) + 40);
	if (str != NULL)
	{
		pc = str;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	return 0;
}
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5.2 柔性数组的使用

struct stu
{
	char i;
	char arr[0];
};
int main()
{
	struct stu* pc = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->i = 'w';
	int j = 0;
	for (j = 0; j < 5; j++)
	{
		pc->arr[j] = j;
	}
	//打印
	for (j = 0; j < 5; j++)
	{
		printf("%d ", pc->arr[j]);
	}
	return 0;
}
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运行结果：

柔性数组的优势

类似于柔性数组的结构体也可以写成如下形式：

struct stu
{
	char i;
	int* data;//指针
};
int main()
{
	struct stu* pc = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu));
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->data = (int*)malloc(20);
	if (pc->data == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用data指针动态开辟的空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		pc->data[i] = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", pc->data[i]);
	}
	//释放开辟的内存空间
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;
	free(pc);
	pc = NULL;
	return 0;
}
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运行结果：

使用结构体中包含指针的方式也可以实现类似于柔性数组的使用方法，也可以动态开辟内存的大小，这两种方法当然有不同之处：

柔性数组的好处：
1：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。
2：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。（实际上也没有提高多少）。

好了，讲到这里动态内存管理这一部分的知识也是给大家讲清楚了，朋友们，我们下次再见！！！