【C语言深度解剖】(15)：动态内存管理和柔性数组

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🥰本文专栏：《C语言深度解剖》

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1. 为什么存在动态内存分配

2. 动态内存函数

2.1 malloc和free

2.2 calloc

2.3 realloc

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

3.2 对动态开辟空间的越界访问

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

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. 几个经典的笔试题

5. C/C++程序的内存开辟

6. 柔性数组

6.1 柔性数组的特性：

6.2 柔性数组的使用

6.3 柔性数组的优势

1. 为什么存在动态内存分配

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：

空间开辟大小是固定的。
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。这时候就只能动态内存开辟了。

2. 动态内存函数

2.1 malloc和free

void* malloc (size_t size);

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。

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：

void free (void* ptr);

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。

举个例子：

在释放内存之后将指针置为 NULL 是一个良好的编程习惯，但并不是强制性的。然而，这个做法可以提供额外的保护，防止悬空指针（dangling pointer）的问题。
悬空指针是指向已经释放的内存的指针。如果指针在释放后没有被置为 NULL，那么它仍然包含一个地址，这个地址可能不再有效，因为释放的内存可能已经被重新分配给其他用途。如果悬空指针被错误地解引用，可能会导致未定义行为，包括程序崩溃、数据损坏或安全漏洞。
将指针置为 NULL 可以防止悬空指针被解引用，因为解引用 NULL 指针通常会导致程序立即崩溃，这样开发者可以立即发现问题并修复它，而不是面对更难以追踪的未定义行为。

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：

void *calloc(size_t num, size_t size);

num：要分配的内存块的数量。
size：每个内存块的大小，以字节为单位。
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 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节全初始化为0。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何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。
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);

ptr 参数是一个指向之前分配的内存块的指针。
size 参数指定了新的内存块大小，以字节为单位。
返回值：realloc 函数尝试改变 ptr 指向的内存块的大小为 size 字节。如果重新分配成功，它返回一个指向新分配内存块的指针，这个指针可能与 ptr 相同（如果原地扩大成功），也可能不同（如果需要移动数据到新的位置）。如果失败，它返回 NULL，并且原始内存块保持不变，不会释放。

realloc在调整内存空间（下面演示的是扩大空间）时存在两种情况：

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：当是情况1的时候，扩展内存是在原有内存之后直接追加空间，realloc 函数重新申请空间之后，返回的地址还是原始空间的起始地址，原来空间的数据部没发生变化。如果新大小大于旧大小，超出旧大小部分的数据是未初始化的。

情况2：当是情况2的时候，原有空间之后没有足够的空间扩容。此时扩展的方法：在堆空间上另外找一个满足大小的连续空间，并把旧空间的数据拷贝到新空间，然后释放旧的空间，返回新空间的起始地址。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int* ptr;
    int old_size = 5;
    int new_size = 10;

    // 分配一个整数数组的空间
    ptr = (int*)malloc(old_size * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Initial memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < old_size; i++) {
        ptr[i] = i;
    }

    // 重新分配内存以增加数组大小
    int* new_ptr = (int*)realloc(ptr, new_size * sizeof(int));
    if (new_ptr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory reallocation failed\n");
        free(ptr); // 释放原有内存
        return 1;
    }

    // 更新指针并使用新分配的内存
    ptr = new_ptr;
    for (int i = old_size; i < new_size; i++) {
        ptr[i] = i;
    }

    // 打印数组元素
    for (int i = 0; i < new_size; i++) {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(ptr);

    return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

3.2 对动态开辟空间的越界访问

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

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。

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1：

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

4.2 题目2：

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

4.3 题目3：

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

4.4 题目4：

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

5. 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在 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。

6. 柔性数组

C语言中的柔性数组（Flexible Array Member, FAM）是C99标准引入的一个特性，它允许结构体的最后一个成员是一个大小未指定的数组，这为处理可变长度数据结构提供了一种高效而灵活的方式。

例如：

有些编译器会报错无法编译可以改成：

6.1 柔性数组的特性：

位置要求：柔性数组必须是结构体的最后一个成员。这是因为它不占用结构体本身的空间，而是紧随结构体之后分配内存。
内存分配：虽然声明时数组长度为0（如int a[0]或直接int a[]），但实际使用时，会通过动态内存分配为它分配足够的空间以容纳实际需要的元素数量。
内存对齐：柔性数组不会影响结构体的自然对齐，因此在计算结构体大小时，柔性数组不计入。这有助于高效地利用内存。
便捷的内存管理：由于柔性数组与结构体主体连续存储，只需要一次内存分配即可为结构体和其后的柔性数组分配空间，这简化了内存管理，尤其是在需要同时释放结构体和数组时。
优化访问速度：连续的内存布局有利于CPU缓存，提高数据访问效率。