超详细——动态内存分配+柔性数组

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一.为什么存在动态内存分配

我们已经学会的内存开辟方式有：创建一个变量，创建一个数组

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

我们创建一个整形变量就会申请4个字节，创建个数组就会申请10个字节
但是这两种方法创建的变量的空间大小是固定的，不能变大也不能变小，所以它们是有一定的局限性的，所以为了让我们能够更加灵活的控制所需要空间的大小，不够了增加，大了可以缩小。这个时候我就给大家介绍 : C语言中提供了动态内存管理相关的一些函数。

二.动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个内存开辟的函数：

malloc可以向内存申请一块连续的空间，并返回一个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。
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

举个例子

#include<stdio.h>intmain(){int* p =(int*)malloc(20);}

这样我们就开辟了一个20个字节的空间。因为开辟失败会返回空指针，所以一般我们需要判断p是否为空指针，若为空则停止操作。同时在程序结束的时候这块空间就用不到了，所以我们需要释放开辟的这块空间，这时就用到了free函数

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：

-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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
我们现在来完善刚刚的代码

intmain(){//申请int* p =(int*)malloc(20);if(p ==NULL){printf("%s\n",strerror(errno));return1;}//使用int i =0;for(i =0; i <5; i++){
        p[i]= i +1;}for(i =0; i <5; i++){printf("%d ", p[i]);}//释放free(p);
    p =NULL;return0;}

2.2 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。原型如下：

calloc与malloc的功能大致相同，只不过calloc是开辟num个大小为size个字节的空间，并会把其所有位初始化位0。

举个例子

#include<stdio.h>#include<stdlib.h>intmain(){int*p =(int*)calloc(10,sizeof(int));if(NULL!= p){//使用空间}free(p);
 p =NULL;return0;}

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

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。当我们觉得开辟的空间过大或者过小的时候，可以用realloc对我们的空间进行重新开辟，然后返回内存的起始位置

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。

由于内存空间是随机分配的,当我们想要扩大原来开辟的空间时，后面的内存可能已经被占用了
所以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

因为空间足够大，realloc会在原空间后直接补上20个字节的空间，这时就变成了40个字节，同时会返回这块空间的起始地址

• 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

因为空间不够大，realloc会重新在内存中开辟一块足够大的空间，并把原来空间中存放的数据复制过来，然后返回新空间的起始地址。
此时我们想一想，原来的空间是不是就没有用处了，所有realloc也会把原来的内存空间给释放掉

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

#include<stdio.h>intmain(){int*ptr =(int*)malloc(100);if(ptr !=NULL){//业务处理}else{exit(EXIT_FAILURE);}//扩展容量//代码1
 ptr =(int*)realloc(ptr,1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2int*p =NULL;
 p =realloc(ptr,1000);if(p !=NULL){
 ptr = p;}//业务处理free(ptr);return0;}

注意：由于realloc开辟失败的时候会返回空指针，我们要是用ptr指针接收的话，ptr就变成了空指针，这样我们原来开辟的空间就搞丢了。所有我们要用一个临时的指针p来接收，当p不为空指针的时候，我们再把p中存储的地址赋给ptr,然后正常使用即可

三.常见的动态内存错误

3.1 对空指针的解引用操作

我们需要判断是否成功开辟了空间

voidtest(){int*p =(int*)malloc(INT_MAX/4);*p =20;//如果p的值是NULL，就会有问题free(p);}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

我们开辟了多少空间就使用多少空间，如果不够可以用realloc重新开辟，但是不能越界访问。

voidtest(){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);}

3.3 对非动态开辟内存进行free释放

不是我们动态开辟的内存我们是不能进行释放的

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

3.4 动态开辟的内存没有被释放完

我们尽量不要更改开辟空间的指针

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

3.5 对同一块动态内存多次释放

是不可以多次释放的

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

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

oid test(){int*p =(int*)malloc(100);if(NULL!= p){*p =20;}}intmain(){test();while(1);}

四. 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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

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。

五.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

例如：

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

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

5.1 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。例如：

typedefstruct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员}type_a;printf("%d\n",sizeof(type_a));//输出的是4

5.2 柔性数组的使用

上代码：

//代码1struct S
{int n;char c;int arr[0];//柔性数组成员};intmain(){//      8               + 40struct S* ps =(struct S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));if(ps ==NULL){printf("%s\n",strerror(errno));return1;}//使用
    ps->n =100;
    ps->c ='w';int i =0;for(i =0; i <10; i++){
        ps->arr[i]= i;}for(i =0; i <10; i++){printf("%d\n", ps->arr[i]);}//调整arr数组的大小struct S* ptr =(struct S*)realloc(ps,sizeof(struct S)+20*sizeof(int));if(ptr ==NULL){printf("%s\n",strerror(errno));return1;}else{
        ps = ptr;}//使用//...//释放free(ps);
    ps =NULL；

    return0;}

这样我们就创建了一个柔性数组，并且可以随意更改它的内存大小。

5.3 柔性数组的优势

上述代码也可以设计为：

//代码2struct S
{int n;char c;int* arr;};intmain(){struct S* ps =(struct S*)malloc(sizeof(struct S));if(ps ==NULL){perror("malloc");return1;}int*ptr =(int*)malloc(10*sizeof(int));if(ptr ==NULL){perror("malloc2");return1;}else{
        ps->arr = ptr;}//使用
    ps->n =100;
    ps->c ='w';int i =0;for(i =0; i <10; i++){
        ps->arr[i]= i;}//打印for(i =0; i <10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//扩容 - 调整arr的大小
    ptr =realloc(ps->arr,20*sizeof(int));if(ptr ==NULL){perror("realloc");return1;}else{
        ps->arr = ptr;}//使用//释放free(ps->arr);
    ps->arr =NULL;free(ps);
    ps =NULL;return0;}

上述 代码1和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

结尾

这些就是我给大家分享的有关动态内存分配的知识啦，希望我们都能有所收获
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