C一语言—动态内存管理
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一、为什么要有动态内存管理
正常情况下，我们可以通过创建一个变量或者创建一个数组来在栈上开辟空间，例如：
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，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整。
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。C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间，就⽐较灵活了。
二、malloc和free
（2.1）malloc
C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数，如下：（该函数包含在头文件stdlib.h里）
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。它具有以下特点：
• 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。
例如，现在想开辟一块空间来存放int类型的数据：
（2.2）free
C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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。具有以下特点：
• 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和malloc一样，都声明在 stdlib.h 头⽂件中。
举个例子：
运行效果：
三、calloc和realloc
（3.1）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：
该函数的特点：
• 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。
例子：
运行效果：
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。
（3.2）realloc
函数原型如下：
该函数具有以下特点：
• 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。
• ptr 是要调整的内存地址。
• size 调整之后的新⼤⼩。
• 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在调整内存空间是存在两种情况：
◦ 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。
如图：
当是情况1的时候，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发⽣变化。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，并把原空间数据拷贝到新空间，并释放原空间。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。例子：
四、常见的动态内存的错误（举例均为错误演示）
（4.1）对空指针的解引用操作
例如：
（4.2）对动态开辟空间的越界访问
（4.3）对非动态开辟内存使用free
（4.4）使用free释放动态开辟内存的一部分
（4.5）对同一块动态开辟的内存多次free
（4.6）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。
五、动态内存经典笔试题分析
（5.1）题目1
运行结果：
从上述运行结果中可以看出程序崩溃了。
解释：
通过调试可以发现，指针str作为函数GetMemory的参数并没有传递地址，所以形参的改变不会影响到实参，即p的改变不会影响str，函数结束时str仍为空，所以调用strcpy函数时会报错。
（5.2）题目2
运行效果：
解释：在GetMemory函数中开辟的数组空间会随着函数的结束而销毁，地址虽然返回回来了，但空间已经销毁了，这时在去用str访问这块空间，里面的内容是随机的。
（5.3）题目3
运行效果：
解释：动态开辟的空间不会随着函数的结束而被销毁，Test中将str的地址传给GetMemory函数，所以形参可以影响到实参，即str指向了malloc申请的空间，所以strcpy函数可以正常使用，打印也没问题，但是这里忘记释放动态开辟的空间了，会造成内存泄漏。
（5.4）题目4
运行效果：
解释：这里虽然打印成功，但是这个代码是有问题的，str指向的空间已经被释放掉了，但是free函数不会将指针置空，所以这里访问了一块已经被销毁的空间。
六、柔性数组
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。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：
代码1：
（6.2）柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。
代码2：
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⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次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。
七、总结C/C++中程序内存区域划分
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。
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