动态内存管理

目录

一、为什么要有动态内存分配

二、malloc和free

2.1 malloc

2.2 free

三、calloc和realloc

3.1 calloc

3.2 realloc

四、常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

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释放

4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

五、柔性数组

5.1 柔性数组的特点

5.2 柔性数组的使用

6.3 柔性数组的优势

六、总结C/C++中程序内存区域划分

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一、为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟⽅式有：

int val = 20 ; // 在栈空间上开辟四个字节

char arr[ 10 ] = { 0 }; // 在栈空间上开辟 10 个字节的连续空间

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，必须指定数组的长度，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：

void* malloc (size_t size);

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：

void free (void* ptr);

• 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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

malloc和free的使用如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
    int num = 0;
    scanf("%d", &num);
    int* ptr = NULL;
    ptr=(int*)malloc(num * sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {//判断是否开辟成功
        return 1;
    }
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        scanf("%d", ptr + i);
    }
    for (int i = 0; i < num; i++) {
        printf("%d ", *(ptr+i));
    }
    printf("\n");
    free(ptr);
    ptr = NULL;//是否ptr所指向的动态内存
    return 0;
}

三、calloc和realloc

3.1 calloc

void * calloc ( size_t num, size_t size);

• 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.

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
    int* ptr = (int *)calloc(10, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        return 0;
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", *(ptr + i));
    }
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

输出结果如下：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 

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

• 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。

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：
  • 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

如下所示：

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，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。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，如下所示：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
    int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        return 1;
    }
    ptr=realloc(ptr, 1000 * sizeof(int));
    return 0;
}

当我们开辟10个int类型的空间时，我们后来觉得10个int类型的数据不够用，想要1000个int类型的数据，我们直接用ptr指针来接收realloc的返回值可能会丢失数据，如果内存中没有1000个int类型的空间，就会返回NULL指针，我们这时的ptr就会变成NULL指针，这就会导致我原本的10个int类型的数据找不到了。所以说使用realloc函数需要注意一些，我们应该向下面这样写：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main() {
    int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        return 1;
    }
    int* p = NULL;
    p=realloc(ptr, 1000 * sizeof(int));
    if (p != NULL) {
        ptr = p;
    }

    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
} 

四、常见的动态内存的错误

4.1 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);

}

4.2 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);

}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test () {

        int a = 10 ;

         int *p = &a;

         free (p); //ok?

}

4.4 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

}

4.5 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

}

4.6 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 );

}

五、柔性数组

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

typedef struct st_type

{

        int i;

        int a[]; // 柔性数组成员

}type_a;

5.1 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。

如下所示： 

typedef struct st_type

{

        int i;

        int a[ 0 ]; // 柔性数组成员

}type_a;

int main ()

{

        printf ( "%d\n" , sizeof (type_a)); // 输出的是 4

        return 0 ;

}

5.2 柔性数组的使用

我们可以使用malloc函数来动态开辟一个结构体大小的内存，然后加上我们想要这个柔性数组存放100个int类型的数据。如下所示：

// 代码 1

# include <stdio.h>

# include <stdlib.h>

int main ()

{

        int i = 0 ;

        type_a *p = (type_a*) malloc ( sizeof (type_a)+ 100 * sizeof ( int ));

        //业务处理

        p->i = 100 ;

        for (i= 0 ; i< 100 ; i++)

        {

                p->a[i] = i;

        }

        free (p);

        return 0 ;

}

6.3 柔性数组的优势

我们为结构体成员设置一个指针，也能完成上面这样的任务，如下所示：

// 代码 2

# include <stdio.h>

# include <stdlib.h>

typedef struct st_type

{

        int i;

        int *p_a;

}type_a;

int main ()

{

        type_a *p = (type_a *) malloc ( sizeof (type_a));

        p->i = 100 ;

        p->p_a = ( int *) malloc (p->i* sizeof ( int ));

        //业务处理

        for (i= 0 ; i< 100 ; i++)

        {

        p->p_a[i] = i;

        }

        //释放空间

        free (p->p_a);

        p->p_a = NULL ;

        free (p);

        p = NULL ;

        return 0 ;

}

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： 

六、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。