《C语言》动态内存管理

一、动态内存分配

内存分为栈区、堆区和静态区

• 一般我们的变量都是开辟在栈区上的，在函数调用时会开辟栈空间，结束是自动返回栈空间
• 用static修饰的变量是存放在静态区的
• 而对应堆区就是程序员字节分配的空间所以叫动态内存分配，程序不会自己返回这份空间，需要程序员自己返回
  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、关于动态内存开辟的函数

动态内存开辟的函数需要引入头文件<stdlib.h>
关于动态内存相关函数如下：

• 1.malloc
• 2.free
• 3.calloc
• 4.realloc

1、malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

这个函数可以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，这个指针指向这个空间的起始位置。
• 如果开辟失败，则返回一个NULL的空指针，因此malloc的返回值一定要做检查，防止对空指针解引用使程序崩溃。
• 返回值的类型是void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，在赋值给变量需要考虑类型问题，配合强制类型转换使用。
• 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、free

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，那么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。

举例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//开辟10个整形的空间int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//判断是否开辟成功if (p == NULL){//失败就打印错误信息perror("malloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){//个十个空间赋值1~10的值*(p + i) = i + 1;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}

3、calloc

C语言还提供了一个函数叫calloc，calloc函数也是用来开辟动态内存空间的。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函数的功能是开辟num个大小为size个字节的空间，并且把空间的每个字节的初始化为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每个字节初始化为0。

举例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//开辟10个整形的空间int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));//判断是否开辟成功if (p == NULL){//失败就打印错误信息perror("calloc");return 1;}//使用空间int i = 0;//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}

运行结果：

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。

4、realloc

用来调整动态内存空间

• realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 有时我们会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，那为了合理的使用内存，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
• 返回值为调整之后内存起始位置。
• 这个函数调整原空间大小的基础，还会将原来内存的数据移动到新的空间。
• realloc在调整内存空间的时候存在两种情况：
  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，要扩展内存就直接在原有内存之后追加空间，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，会在堆上找一块足够大的新的连续空间来使用。原空间释放掉，返回新空间的地址。

举例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//开辟10个整形的空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//判断是否开辟成功if (p == NULL){//失败就打印错误信息perror("calloc");return 1;}//使用空间int i = 0;printf("调整前\n");//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//调整空间可以存放20个整形的空间printf("\n调整后\n");int* tmp = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL){perror("realloc");return 1;}p = tmp;tmp = NULL;for (i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}

运行结果：

三、常见的动态内存的错误

1、对NULL指针的解引用操作

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);}

2、对动态开辟空间的越界访问

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);}

3、对非动态开辟内存使用free释放

void test(){int a = 10;int *p = &a;free(p);//ok?}

4、释放free释放一块动态开辟的内存的一部分

void test(){int *p = (int *)malloc(100);p++;free(p);//p不再指向动态内存的起始位置 }

5、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 }

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test(){int *p = (int *)malloc(100);if(NULL != p){*p = 20;}}int main(){test();while(1);}

四、柔性数组

1、柔性数组的特点

• 结构体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。
• 包含柔性数组的成员的结构体用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小，以柔性数组的预期大小。

例如：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>struct S
{int n;int a[];
};
int main()
{struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){p->a[i] = i + 1;}//释放free(p);p = NULL;return 0;
}

这样的柔性数组相当于获得了十个整形空间

五、C/C++中程序内存的区域划分

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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。