动态内存管理+柔性数组

为什么存在动态内存开辟

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:

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。

动态内存函数的介绍

1.malloc和free

malloc是C语言提供的一个动态内存开辟的函数，函数原型如下：

void* malloc (size_t size);

malloc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。对于malloc函数，我们需要注意一下几点：

• 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。

C语言提供了另外一个函数free，专门用来释放和回收动态开辟的内存，函数原型如下：

void free (void* ptr);

对于free函数，我们需要注意一下几点：

• 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。
• free函数释放动态开辟的空间后，一定要讲指向该空间的指针置为空指针NULL。

注意：malloc和free函数的声明都是在stdlib. h头文件中。

代码示例：

//动态内存开辟
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    //假设开辟10个整型的空间
    //int arr[10];//栈区
    //动态内存开辟
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//void*
    //使用这些空间的时候
    if (p == NULL)
    {
        //strerror将错误码转化成错误信息
        perror("main");//打印错误信息 main:×××××× 例如：开辟失败空间不足
        return 0;
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", p[i]);//p[i]<==>*(p+i)
    }
    //回收空间
    free(p);
    p = NULL;//自己动手把p置为空指针

    return 0;
}

上面的代码有两个需要注意的点：第一，申请动态内存后，一定要判断指向该空间的指针是否为空指针NULL。因为当动态内存开辟失败的时候，malloc函数会返回空指针NULL。第二，用free函数释放和回收动态开辟的内存后，一定要将指向该空间的指针置为空指针NULL。因为该指针还记住这块空间的地址，如果你对指针解引用操作的话，就会造成野指针的问题了。

知道这个之后，我们再来看一段代码。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);//err

    return 0;
}

注意：上面的代码是一个错误的代码，原因就是free函数用于释放不是动态开辟的内存。我们写代码的时候一定要注意，free函数只能用于释放和回收动态开辟的内存，否则程序将会崩溃！！！

2.calloc

除了malloc函数，C语言还提供了一个函数calloc，calloc函数也能用来动态内存开辟。函数原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

对于calloc函数，我们需要注意一下几点：

• 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malloc函数的区别在calloc函数的参数有两个，而malloc函数的参数只有一个；还有就是calloc函数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。

代码示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

所以，如果我们对申请的内存空间的内容需要初始化，那么使用calloc函数就可以很方便地完成任务。

3.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，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。而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);

对于realloc函数，我们需要注意一下几点：

• ptr是要调整的内存地址。
• size为调整之后新大小。
• 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：

1. 情况1：原有空间之后有足够大的空间。
2. 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：
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另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。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些 。

**代码示例： **

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    //这里需要p指向的空间更大，需要20个int的空间
    //relloc调整空间
    int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//防止p被置为空指针
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
    }
    for (i = 10; i < 20; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    //改变申请空间的大小，观察p的地址是否会变
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

** 情况二代码示例：**

还有一个需要注意的是，realloc函数还可以充当malloc函数来使用。

int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));
<= = > int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

相信大家现在已经了解realloc函数了，接下来向大家介绍常见的动态内存错误。

常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(100000000000000000);
    //错误：未对malloc函数的返回值做判断，就直接解引用了
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    return 0;
}

** 修改：**

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(100000000000000000);
    //错误：未对malloc函数的返回值做判断，就直接解引用了
    if (p == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    return 0;
}

2.对动态开辟空间的越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    //越界访问
    for (i = 0; i < 40; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

**修改： **

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    //越界访问
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int arr[10] = { 0 };
    int* p = arr;
    //使用
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *p++ = i;
    }
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
    //
    p = NULL;
}

注意：free释放的动态内存空间一定是该空间的起始地址，否则程序将会崩溃。

5.对同一块动态内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    //使用
    //释放
    free(p);
 //p=NULL;及时置空
    //再一次释放
    free(p);
    return 0;
}

注意：释放动态开辟的内存后，一定要将指向该空间的指针置为空指针NULL。否则就很容易出现对同一块动态内存多次释放的问题，导致程序崩溃。

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        return;
    }
    //使用
}
int main()
{
    test();
    //...
    return 0;

}

上面的代码运行时，不会爆出什么错误。但是忘记释放动态开辟的内存，就会导致内存泄漏，这样你的内存就会越来越少。这是非常严重的一个问题，所以使用完动态开辟的内存之后，一定要记得释放该内存并及时置空。

动态开辟的空间的两种回收方式：

• 主动free
• 程序结束

几道经典的笔试题

题目一

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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();
    return 0;
}

**输出结果： **

代码分析：

修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
char* GetMemory(char* p)
{
    p = (char*)malloc(100);
    return p;
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //printf("hello world"); //传的是字符h的地址
    free(str);
    str = NULL;
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

void GetMemory(char** p)
{
    *p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //printf("hello world"); //传的是h的地址
    free(str);
    str = NULL;
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

题目二

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

** 输出结果：**

**代码分析： **

题目三

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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();
    return 0;
}

**输出结果： **

**代码分析： **

**修改： **

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

题目四

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

**输出结果： **

**代码分析： **

**修改： **

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    //动态内部释放后要及时置空
    str = NULL;
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解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。

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。

举个例子：

struct S
{
    int n;
    int arr[];//大小是未知的
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

struct S
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未知的
};

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。

** 代码示例：**

#include <stdio.h>
struct S
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未知的
};
int main()
{
    struct S s = { 0 };
    printf("%d\n", sizeof(s));
    return 0;
}

**输出结果： **

2.柔性数组的使用

使用方法一：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未知的
};
int main()
{
    //期望arr的大小是10个整型
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
    ps->n = 10;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;
    }
    //增容
    struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
    if (ptr != NULL)
    {
        ps = ptr;
    }
    //使用

    //释放
    free(ps);
    ps = NULL;
    
    return 0;
}

**使用方法二： **

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{
    int n;
    int* arr;
};

int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
    if (ps == NULL)
        return 1;
    ps->n = 10;
    ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (ps->arr == NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }
    //增容
    int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
    if (ptr != NULL)
    {
        ps->arr = ptr;
    }
    //使用

    //释放需要两次
    free(ps->arr);
    ps->arr = NULL;
    free(ps);
    ps = NULL;

    return 0;
}

注意：上面的两种使用方法，本人推荐使用第一种。因为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，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，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，出错的可能性会更小。同时第一种方法访问内存的速度也会更高，因为连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

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