?? ?上期結(jié)束了【結(jié)構(gòu)體內(nèi)存對齊】，這期我們來學(xué)習(xí)C語言中非常重要的內(nèi)容之一【動態(tài)內(nèi)存管理】，學(xué)完這期，我相信你對動態(tài)內(nèi)存分配會有更深的理解~話不多說，我們直接進(jìn)入本期主題！

一、為什么存在動態(tài)內(nèi)存的分配

我們已經(jīng)掌握的內(nèi)存開辟方式有：

int a = 20;//在棧空間上開辟四個字節(jié)
char arr[10] = { 0 };//在棧空間上開辟10個字節(jié)的連續(xù)空間

但是上述開辟空間的方式有兩個特點(diǎn)：

1.空間開辟大小是固定的。

2.數(shù)組在聲明時，必須指定數(shù)組的長度，它所需要的內(nèi)存在編譯時分配。

但是對于空間的需求，不僅僅時上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程序運(yùn)行的時候才能知道，那數(shù)組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。 這時候就只能試試動態(tài)存開辟了。

二、動態(tài)內(nèi)存函數(shù)的介紹

2.1 malloc和free

C語言提供了一個動態(tài)內(nèi)存開辟的函數(shù)：

void* malloc (size_t size);

這個malloc函數(shù)向內(nèi)存申請一塊連續(xù)可用的空間，并返回指向這塊空間的指針。

?如果開辟成功，則返回一個指向開辟好空間的指針。

?如果開辟失敗，則返回一個NULL指針，因此malloc的返回值一定要做檢查。

?返回值的類型是void*，所以malloc函數(shù)并不知道開辟空間的類型，具體在使用的時候使用者自己來決定。

?如果參數(shù)size為0，malloc的行為是標(biāo)準(zhǔn)未定義的，取決于編譯器。

C語言提供了另外一個函數(shù)free，專門是用來做動態(tài)內(nèi)存的釋放和回收

函數(shù)原型如下：

void free (void* ptr);

?free函數(shù)用來釋放動態(tài)開辟的內(nèi)存。

• 怕如果參數(shù) ptr 指向的空間不是動態(tài)開辟的，那free函數(shù)的行為是未定義的。
• 如果參數(shù) ptr 是NULL指針，則函數(shù)什么事都不做。

malloc和free都聲明在 stdlib.h 頭文件中

舉個例子：

int main()
{
	//代碼1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
 
	//代碼2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判斷ptr指針是否為空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + 1) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//釋放ptr所指向的動態(tài)內(nèi)存
	//指針ptr內(nèi)容還是原來的地址，釋放后防止非法訪問，故置為NULL
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.2 calloc

C語言還提供了一個函數(shù)叫calloc，calloc函數(shù)也用來動態(tài)內(nèi)存分配。

原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函數(shù)的功能是為 num 個大小為 size 的元素開辟一塊空間，并且把空間的每個字節(jié)初始化為0。
• 與函數(shù) malloc 的區(qū)別只在于 calloc 會在返回地址之前把申請的空間的每個字節(jié)初始化全為0。

舉個例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)//判斷p指針是否為空
	{
		//work
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何我們對申請的內(nèi)存空間的內(nèi)容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函數(shù)來完成任務(wù)。

2.3 realloc

? ? ? ? realloc 函數(shù)的出現(xiàn)讓動態(tài)內(nèi)存管理更加靈活。有時候我們發(fā)現(xiàn)過去申請的空間太小了，有時候又會覺得申請的空間過大了，那為了合理的內(nèi)存，我們一定會對內(nèi)存的大小做靈活的調(diào)整。那 realloc 函數(shù)就可以做到對動態(tài)開辟內(nèi)存大小的調(diào)整。

函數(shù)原型如下：

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

?ptr 是要調(diào)整的內(nèi)存地址。

?size 調(diào)整之后新的大小。

?返回值為調(diào)整之后內(nèi)存起始位置。

?這個函數(shù)調(diào)整原內(nèi)存空間大小的基礎(chǔ)上，還會將原來內(nèi)存中的數(shù)據(jù)移動到新的空間。

?realloc 在調(diào)整內(nèi)存空間時存在兩種情況：

? ? ? ??????a.情況1：原有空間之后有足夠大的空間

? ? ? ? ? ? b.情況2：原有空間之后沒有足夠大的空間

?情況1：要擴(kuò)展內(nèi)存就直接在原有內(nèi)存之后直接追加空間，原來空間的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化。

?情況2：原有空間之后沒有足夠多的空間時，擴(kuò)展的方法是：在堆空間上另找一個合適大小的連續(xù)空間來使用。這樣函數(shù)返回的是一個新的內(nèi)存地址。 由于上述的兩種情況，realloc函數(shù)的使用就要注意一些。

舉個例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//work
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//擴(kuò)展容量
 
	//代碼1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
	//這個做法不行，如果申請失敗則返回NULL賦給ptr
 
	//代碼2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常見的動態(tài)內(nèi)存錯誤

3.1 對NULL指針的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX/4);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就會非法訪問
	free(p);
	p == NULL;
}

3.2 對動態(tài)開辟空間的越界訪問

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//當(dāng)i是10的時候越界訪問
	}
	
	free(p);
	p == NULL;
}

3.3 對非動態(tài)開辟內(nèi)存使用free釋放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能對非動態(tài)開辟內(nèi)存使用free
	p == NULL;
}

3.4 對同一塊動態(tài)內(nèi)存多次釋放

void test()
{
	int* p = （int *）malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重復(fù)釋放
}

3.5 動態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放（內(nèi)存泄漏）

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

?忘記釋放不再使用的動態(tài)開辟的空間會造成內(nèi)存泄漏。

?切記：動態(tài)開辟的空間一定要釋放，并且正確釋放。

四、幾個經(jīng)典的筆試題

題目1：

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

?請問運(yùn)行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

?程序崩潰，str是空指針，沒有指向的內(nèi)存，無法拷貝hello world，訪問內(nèi)存失敗。

?內(nèi)存泄漏，沒有free。

題目2：

char *GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

請問運(yùn)行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

?局部數(shù)組的內(nèi)存，除了程序就釋放了。

?返回棧空間地址的問題。

?題目3：

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

請問運(yùn)行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

?可以打印hello。

?需要加 free(str); str = NULL;

五、C/C++程序的內(nèi)存開辟

C/C++程序內(nèi)存分配的幾個區(qū)域：

• 棧區(qū)（stack）：在執(zhí)行函數(shù)時，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。 棧區(qū)主要存放運(yùn)行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回數(shù)據(jù)、返回地址等。
• 堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時可能由OS回收 。分配方式類似于鏈表。
• 數(shù)據(jù)段（靜態(tài)區(qū)）（static）存放全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
• 代碼段：存放函數(shù)體（類成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進(jìn)制代碼。

六、柔性數(shù)組

也許你從來沒有聽說過柔性數(shù)組（flexible array）這個概念，但是它確實(shí)是存在的。 C99 中，結(jié)構(gòu)中的最后一個元素允許是未知大小的數(shù)組，這就叫做『柔性數(shù)組』成員。例如：

struct a
{
	int i;
	int a[0];//柔性數(shù)組成員
};

6.1 柔性數(shù)組的特點(diǎn)

• 結(jié)構(gòu)中的柔性數(shù)組成員前面必須至少一個其他成員。
• sizeof 返回的這種結(jié)構(gòu)大小不包括柔性數(shù)組的內(nèi)存。
• 包含柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)用malloc ()函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存的動態(tài)分配，并且分配的內(nèi)存應(yīng)該大于結(jié)構(gòu)的大小，以適應(yīng)柔性數(shù)組的預(yù)期大小。

例如：

struct a
{
	int i;
	int arr[0];//柔性數(shù)組成員
};
printf("%d\n", sizeof(a));//輸出的是4

6.2 柔性數(shù)組的使用

//代碼1
int i = 0;
a* p = (a*)malloc(sizeof(a) + 100 * sizeof(int));
 
//業(yè)務(wù)處理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->arr[i] = i;
}
free(p);

這樣柔性數(shù)組成員arr，相當(dāng)于獲得了100個整形元素的連續(xù)空間。

6.3 柔性數(shù)組的優(yōu)勢

上述的 a 結(jié)構(gòu)也可以設(shè)計為：

//代碼2
struct a
{
	int i;
	int* p_a;
};
a* p = malloc(sizeof(a));
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
 
//業(yè)務(wù)處理
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->p_a[i] = i;
}
 
//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

上述 代碼1 和 代碼2?可以完成同樣的功能，但是 代碼2?的實(shí)現(xiàn)有兩個好處：

第一個好處是：如果我們的代碼是在一個給別人用的函數(shù)中，你在里面做了二次內(nèi)存分配，并把整個結(jié)構(gòu)體返回給用戶。用戶調(diào)用free可以釋放結(jié)構(gòu)體，但是用戶并不知道這個結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員也需要free，所以你不能指望用戶來發(fā)現(xiàn)這個事。所以，如果我們把結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存以及其成員要的內(nèi)存一次性分配好了，并返回給用戶一個結(jié)構(gòu)體指針，用戶做一次free就可以把所有的內(nèi)存也給釋放掉。

第二個好處是：連續(xù)的內(nèi)存有益于提高訪問速度，也有益于減少內(nèi)存碎片。（其實(shí)，我個人覺得也沒多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法來尋址）

總結(jié)起來就是：

• 方便內(nèi)存釋放。
• 提高訪問速度。

?動態(tài)內(nèi)存管理到這里就結(jié)束啦，大家一定要動手敲代碼實(shí)現(xiàn)一下！有不懂的可以隨時私信我哦！