动态内存管理详解
1.动态内存分配
我们先来看看我们熟悉的内存开辟方式
int a = 10; //在栈空间开辟4个字节 int b[20] = {0}; //在栈空间开辟80个字节的连续空间
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
- 数组声明的时候，必须指定数组长度，数组空间一旦确定了大小不能调整
但是对于空间的需求，不仅仅是上述情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行时才知道，那数组编译时开辟的空间方式就不能满足了。在C语言中，引入了动态内存开辟，程序员可以自己申请和开辟空间，这样子就比较灵活了。
2.malloc和free
2.1malloc
C语言提供了一个动态内存开辟的函数，即：malloc(),其形式为：
void* malloc (size_t size );
这个函数在使用时会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，则返回一个开辟好空间的指针。
- 如果开辟失败，则返回一个NULL的指针，因此malloc的返回值一定要做检查。
- 返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟的空间类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。
- 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
2.2free
C语言提供了另外一个函数free，专门用来做动态内存回收的，函数原型如下：
void free（void* ptr）;
这个函数在使用时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函数是未定义的。、
- 如果参数ptr是NULL指针，则函数什么都不做。
需要注意的是两者都是声明在stdlib.h的头文件中的。
示例：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int num=0;
scanf("%d",&num);
int arr[num]={0};
int* ptr=NULL;
ptr=(int*)malloc(num*sizeof(int));
if(NULL!=ptr)//判断指针是否为空指针
{
int i=0;
for(i=0;i<num;i++);
{
*(ptr+i)=0;
}
}
free(ptr);//将开辟的动态内存释放
ptr=NULL;//将指针置为空指针，防止野指针的出现
return 0;
}3.calloc和realloc
3.1calloc
C语言还提供了一个函数calloc，也可以用来动态内存分配。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会返回地址前把申请的空间的每个字节初始化全为0。
示例：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int *p=(int*)calloc(10,sizeof(int));
if(NULL!=p)
{
int i=0;
for(i=0;i<10;i++)
{
printf("%d ",*(p+i));
}
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
} 输出结果为：
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
结论：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。
3.2realloc
有时候我们发现之前申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间过大了，那为了合理使用内存，我们需要对内存的大小做灵活的调整。而realloc函数就可以做到对对动态开辟内存大小的调整。函数原型如下：
void* relloc (void*ptr,size_t size);
- ptr是要调整的内存的地址。
- size是调整之后的新大小。
- 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，还将原来内存中的数据移动到新的空间。
- realloc在调整内存空间是存在两种情况
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
当出现这种情况的时候，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：
当出现这种情况的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展方法是：在堆空间上另外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。
由于有上述的两种情况在使用realloc函数时需要注意一些。
示例：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
return 1;
}
//扩展容量
//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}4.常见的错误
4.1对NULL指针的解引用操作
void test()
{
int* p=(int*)malloc(INT_MAX);
*p=20;//如果指针是NULL就会有问题
free(p);
}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;
}
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);
}4.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分
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对同一块内存多次释放
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）
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。所以需要切记：动态开辟的空间一定要释放，还要正确地释放。
5.柔性数组
在结构中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。
示例：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];
}type_a;5.1柔性数组特点
- 结构体中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
- sizeof返回值的结构体大小不包含柔性数组的内存。
- 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，并且分配的内存大于结构体的大小，以适应柔性数组的预期大小。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(type_a));//输出是4
return 0;
}5.2柔性数组的使用
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int i=0;
type_a*p=(type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
p->i=100;
for(i=0;i<100;i++)
{
p->a[i]=i;
}
free(p);
return 0;
}
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];
}type_a;这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。
5.3柔性数组的优势
上述的type_a结构也可以设计成下面的结构，也能完成同样的效果。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a *p=(type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i=100;
p->p_a=(int*)malloc(sizeof(type_a));
for(i=0;i<100;i++)
{
p->p_a[i]=i;
}
free(p->p_a);
p->p_a=NULL;
free(p);
p=NULL;
return 0;
}上述两个代码都可以完成同样的功能，但是方法1的实现有两个好处：
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发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员需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.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。(其实也没多高)
6.C/C++中程序内存区域划分
C/C++程序内存分配的几个区域：
如图所示：
- 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。
- 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。
- 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。
- 代码段：存放函数体）（类似成员变量和全局函数）的二进制代码。
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