C语言进阶---动态内存管理

前言：

一、为什么存在动态内存分配？

常规的情况：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 
#include 
int main()
{
	int val = 20;//在栈空间上开辟4个字节
	char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个连续空间的字节
	return 0;
}
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二、动态内存函数的介绍

1.数据在不同区域的储存：

2、malloc和free

malloc函数的介绍：
malloc是C语言中开辟指定空间字节大小的函数：

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

• 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。

free函数的介绍：
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：

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 
int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	//代码2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; 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;
}
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3、calloc

calloc也是动态内存开辟的函数:

• 它是开辟num个size大小的字节空间
• 与malloc不同的是，他在返回开辟空间的起始地址之前，已经把开辟的那个空间全部都初始化为0

int main()
{	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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calloc函数与malloc函数的最大区别是：calloc函数会将开辟的那块空间全部都初始化为0。

4、realloc

• realloc函数的出现会让动态内存管理更加灵活！
• 有时我们发现申请的空间要么过大，要么过小，不能够很好地充分利用开辟的内存空间，所以说这个时候realloc的出现如同救世主一般。
  
  参数1（void* ptr）：指向先前分配有内存块空间的指针，也可以是空指针，但是NULL的话，这个realloc函数的功能就和malloc一样。
  参数2（size_t size）：内存块的新大小，以字节为单位，size_t就是无符号整形。

对于realloc的返回值有三种情况：

• 情况1. 如果需要在原空间上再开辟新的空间，而且原空间后方有足够大的空间，够开辟，那么就在原空间后面追加：
  

• 情况2：如果原空间后方的空间已经被占用，没有地方再开辟。那么realloc函数会在堆区中重新找一块能够储存这么大空间的地方，并且返回这个新空间的地址，然后把原来空间的内存释放（还给操作系统）。
  

• 情况三：开辟空间失败返回NULL
  具体代码进行分析：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)//开辟失败
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		//开辟成功
	}

	p = realloc(p, 1000);//这样可行吗？
	//nono!假设realloc开辟失败返回NULL，相当于我们现在直接将NULL赋给了p，
	//那么原来的空间已经消失不在了，出现了内存泄漏。


	//解决方法：
	int* ptr = realloc(p, 1000);//空瓶思想：我们先创建一个指针变量相当于空瓶，来暂时存放新开辟的空间地址
	//如果开辟成功，我们再把它赋给原来空间的起始地址p。
	//如果开辟失败，那么这样也避免了内存泄漏,还会找到原来那块空间的地址：p
	if (ptr!=NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc fail");
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}
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三、常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

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);
}
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不能对空指针进行free！！！

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);
}
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3、对非动态内存开辟的空间进行free

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能对在栈区上开辟的内存进行free！！！
}
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4、对动态内存开辟的空间只进行一部分释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);// P不在指向动态内存的起始位置
}
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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
}
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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);
}
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注意：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 。

四、几个经典的笔试题

例1：

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
}
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请问:运行Test函数之后会出现什么结果？
程序直接崩溃了！？
答案：核心问题就是子函数中的p是临时变量，改变它并不会改变主函数中的str。

例2：

局部变量的指针不能做返回值，因为函数内的空间在函数返回后就会释放掉

char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}
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答案：GetMemory函数返回的地址无法正常使用
解析：此题考的是：局部变量的指针不能做返回值，因为函数内的空间在函数返回后就会释放掉这一点。

例3：
运行结果？

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
}
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答案：打印hello

例4：
运行结果？

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);// Str那块地址虽然被释放掉了，还给了操作系统，但是它并不是空指针。
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}//所以最终的结果会打印world
}

int main()
{
	Test();
}
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答案：打印world

五、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。

例如：

struct Stu
{
	int i;
	int arr[] ;//柔性数组成员
};
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2、柔性数组的特点

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。

sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存：
举例：

typedef struct Stu
{
	int i;
	int arr[] ;//柔性数组成员
}Stu;

int main()
{
	printf("%d\n",sizeof(Stu));
	return 0;
}
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3、柔性数组的使用

int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->a[i] = i;
}
free(p);

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4、柔性数组的优势

typedef struct st_type
{
 int i;
 int *p_a;
}type_a;
type_a *p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
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