【c语言】动态内存管理
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一、为什么存在动态内存分配
why?
通常情况下我们在栈上开辟空间，创建一个变量或者数组时，有两个特点：
- 空间开辟的大小是固定的；
- 数组在声明的时候，需指定数组长度，数组所需要的内存在编译时分配
但是，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的空间的方式就不够用了，这时就用到了动态内存分配。
- 讲到这里补充一下c语言的内存知识：c语言在内存中常用的区域，大致分为三类：栈区，堆区和静态区
栈区
- 概念： 栈区用来存储函数内部的变量（包括main()函数）。它是一个LIFO（Last In First Out，后进先出）的结构。每当一个函数声明一个新的变量它将被压入栈中。当一个函数运行结束后，这个函数所有在栈中相关的变量都将被删除，而且它们所占用的内存将会被释放。这就产生了函数内部的局部变量。栈区是一段非常特殊的内存区，它由CPU自动管理，所以你不必手动申请和释放内存。栈内存在函数被调用时分割为连续的帧，它将为自己分配一个新的栈帧。
- 总结：
- 栈由CPU管理，无法修改
- 变量自动地分配和释放
- 栈并非没有限制，大部分栈都由一个上边界
- 栈随着变量地产生和销毁生长和收缩
- 栈区变量只有在函数创建它们地时候存在
堆区
- 概念：堆是一个相对于栈的概念。堆是一个可以动态使用的大内存池，它也被称为“无限存储”。这一部分内存不是自动管理的，你必须显式地申请（使用如malloc之类的函数）和释放内存（如free）。在变量使用结束时释放内存失败会造成内存泄漏，内存仍然被占用，不能被其它进程获取。与栈区不同，堆区除了物理内存的大小通常没有大小的限制（或者创建变量数量的限制）。在堆区创建的变量可以在程序的任何地方访问。而且堆区内存访问需要用到指针。
- 总结：
- 堆区由程序员管理，修改它的手段非常宽松
- 在C语言中，变量的分配和释放使用类似malloc()和free()之类的函数
- 堆区非常大，通常受限于可用的物理内存
- 堆区需要使用指针访问
静态区
- 概念：静态内存在程序的整个生命周期都存在，而且通常用来存储全局变量，或者通过static关键字创建的变量。这个内存可以来自两个区域之一。
- 总结：
- 如果这个变量在函数之外被声明，它被认为是全局的。
- 全局变量是静态的，所以它在整个程序中只有一份拷贝。
- 函数内部的变量被分配在栈区。也可以通过static关键字将一个变量强制声明为全局的。
在函数内部使用static关键字声明的变量将会存储在静态内存区。
二、动态内存函数的介绍
malloc
总结：
- 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。
free
总结：
- 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。
calloc
总结：
- 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初始化为全0
realloc
总结：
- realloc(NULL,40) 等价于 malloc（40）
- 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。
- realloc在调整内存空间的是存在两种情况：如下图所示
示例
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//使用//......}else{exit(EXIT_FAILURE);}//扩容int* p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);//如果开辟失败会返回空指针if (p != NULL){ptr = p;}//使用//......//释放free(ptr);return 0;
}
三、常见的动态内存错误
对NULL指针解引用操作
void test()
{int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题free(p);
}
对动态开辟空间越界访问
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;//当i是10的时候越界访问}free(p);
}
对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{int a = 10;int* p = &a;free(p);//ok?
}
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
}
对同一块动态内存多次释放
void test()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);free(p);//重复释放
}
动态开辟内存忘记释放
void test()
{int* p = (int*)malloc(100);if (NULL != p){*p = 20;}
}
int main()
{test();while (1);
}
四、柔型数组（C99标准支持）
什么是柔型数组
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。
#include <stdio.h>struct S
{int n;float s;int arr[];//柔型数组成员//int arr[0]//柔性数组成员 在不同编译器下也有可能是这样子 };
int main()
{ //柔性数组的开辟malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int)*4);//1. sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存，用malloc动态开辟再使用。//2. 如果不使用柔型数组容易造成内存泄漏和内存碎片过多（因为要多次malloc开辟空间，而多个开辟的空间不连续，且多次开辟就要多次释放；）return 0 ;
}
柔型数组的特点
- 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。
柔型数组的优点
- 方便内存释放
结构体内存以及成员的内存，只用一次开辟空间和释放，并返回一个结构体指针。- 提高访问速度
多次malloc开辟的空间不连续就会产生内存碎片，一次malloc开辟可以减少内存碎片的产生。
