C动态内存管理

前言：不知不觉又过去了很长的一段时间。今天对C语言中的动态内存管理进行一个系统性的总结。

1 为什么要有动态内存分配

在C语言中，使用int，float，double，short等数据内置类型以及数组不是也可以开辟内存空间吗？为什么还要有动态内存分配呢？这是因为以上方式开辟出来的内存空间有两个缺点。

. 空间开辟大小是固定的。

. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小无法调整。

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起来的时候才能知道。那么上述开辟空间的方式就不能满足了。因此C语言中引入了动态内存分配，，让程序员自己申请，释放空间，相对灵活。

2 malloc和free

2.1 malloc函数的介绍

//返回值类型是void*指针，参数类型是size_t,size是申请内存块的大小，单位是字节
//size_t是一个unsigned int类型
void* malloc(size_t size);

malloc函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块内存空间的指针。

. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针**。

. 如果失败，则返回一个NULL指针，因此malloc函数的返回值一定要做检查。

. malloc函数的返回类型是void*类型的指针，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，使用的时候由使用者自己来决定。

. 如果参数size为0,malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。

2.2 free函数的介绍

C语言提供了一个free函数，是专门用来释放，回收动态开辟出来的内存空间。

//返回值类型是void,参数类型是void*,ptr是指向先前由malloc或realloc或calloc分配的内存空间
void free(void* ptr);

free函数是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，那么free函数的行为是未定义的。

. 如果参数ptr是NULL指针，那么free函数什么事都不做。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//动态申请内存空间
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//检查是否开辟成功
	if (NULL == ptr)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i + 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//释放空间
	free(ptr);
	//改变ptr指针的指向
	ptr = NULL;
	return 0;
}

3 calloc和realloc

3.1 calloc函数的介绍

void* calloc(size_t num,size_t size);

calloc函数也是用来动态开辟内存的。

. calloc函数的功能是为num个大小为size的元素开辟一块空间，并把空间的每个字节初始化为0。

. 与malloc函数的区别在于calloc函数在返回地址之前会将申请的空间每个字节初始化为0。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//动态开辟10*sizeof(int)个字节
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	//检查是否开辟成功
	if (NULL == p)
	{
		printf("calloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	//观察calloc函数开辟空间的内容
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

3.2 realloc函数的介绍

void* realloc(void* ptr,size_t size);

realloc函数的功能是对空间的大小进行调整。

. ptr是要调整的内存地址。

. size是调整之后新的大小。

. 返回值是调整之后内存空间的起始地址。

. 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内存空间。

realloc在调整内存空间时存在两种情况：

1.原有内存空间之后有足够的空间。

2.原有内存空间之后没有足够大的空间。

在这里插入图片描述

情况1：在原有空间之后追加空间，原有空间的数据不发生变化。

情况2：原有空间之后没有足够的空间，扩展的方法是：在堆空间上找一个合适大小的连续空间来使用，并将原有空间的数据拷贝一份给新空间，释放原有空间，返回一个新的地址。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(20);
	if (NULL == ptr)
	{
		printf("calloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	//如果扩容失败会怎么样
	//原有数据也会丢失，不推荐这种写法
	ptr = realloc(ptr, 40);//ok?
	//这种写法更为安全
	int* tmp = (int*)realloc(ptr, 40);
	if (NULL == tmp)
	{
		printf("realloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	ptr = tmp;
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

4 常见的动态内存错误

4.1 `对NULL指针的解引用操作`

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	*p = 20;//如果p是NULL，就会有问题
	free(p);
	p = NULL;
}

4.2 `对动态开辟空间的越界访问`

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int)*10);
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//i为10的时候就越界访问了
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

4.3 `释放一部分动态开辟空间`

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	//此时p不再指向动态开辟空间的起始地址，只释放了一部分空间，p就是野指针
	free(p);
	p = NULL;
}

4.4 `对非动态开辟空间的释放`。

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//对非动态开辟内存的释放
	free(p);
	p = NULL;
}

4.5 `对同一块动态内存多次释放`

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	free(p);
	free(p);//重复释放
	p = NULL;
}

4.6 `动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）`

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	//忘记释放
}

5 动态内存经典笔试题解析

5.1 题目一：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char* p)
{
	//动态开辟空间未进行释放，内存泄露
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	//str作为参数，这里传递的是NULL，形参的改变不会影响实参
	GetMemory(str);
	//因此str指向的内容还是NULL，无法对NULL指针进行访问，程序会崩溃
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5.2 题目二：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
	//局部变量
	char p[] = "hello world";
	//调用这个函数时为这个函数创建栈帧空间
	//调用之后这个函数的栈帧空间被销毁
	//局部变量也会被销毁，因此返回局部变量的地址会造成野指针
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	//此时str就是一个野指针，对其进行访问就是非法访问
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5.3 题目三：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
	//p是一个二级指针，接收的是一级指针变量str的地址
	//*p就是str
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	//传递的是一级指针变量str的地址
	//形参的改变会影响实参
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//唯一的缺点就是没有进行动态内存释放，导致内存泄漏
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5.4 题目四：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	//free之后操作系统回收内存空间，但未将str置空,此时str就是野指针
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		//非法访问
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

6 柔性数组

在C99中，结构体中最后一个成员允许是未知大小的数组，这就叫做柔性数组。

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

6.1 柔性数组的特点

. 结构体中柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。

. sizeof 计算结构体大小是不包括柔性数组大小的。

. 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，以适应柔性数组的大小。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	//0~3
	int i;//4   8   4
	int arr[];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(struct st_type));//4
	return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int arr[];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	//100*sizeof(int)是为了适应柔性数组成员的大小
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	p->i = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		printf("%d ", p->arr[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

柔性数组的使用还可以这样完成。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int *a;//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	if (NULL == p)
	{
		printf("malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	p->i = 100;
	p->a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
	if (p->a == NULL)
	{
		printf("p->a malloc fail\n");
		exit(-1);
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		printf("%d ", p->a[i]);
	}
	free(p->a);
	p->a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

比较两种方式，哪一种更好呢？第一种方法会更好一点。

1.方便内存释放

2.有利于访问速度（连续的空间有利于提高访问速度，也有利于减少内存碎片）。

7 C/C++中程序内存区域划分

在这里插入图片描述

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。