动态内存分配-编程知识

存在动态内存分配的原因

内存开辟方式,例如：

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

但是这种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，它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
所以可以试试动态内存开辟

动态内存函数

动态内存开辟在堆区
在这里插入图片描述

malloc

void* malloc (size_t size);
size单位是字节
malloc(40);申请40个字节的内存块大小

头文件为#include<stdlib.h>

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

malloc申请到空间后直接返回这块空间的起始地址，不会初始化空间的内容

	int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}

打印出来的都是空间的起始地址

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

	if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}

在检测到参数（malloc）为NULL后，说明malloc无法开辟空间，继续进行下去会发生错误，则立刻调用perror函数，将生成的错误描述将打印出来，后跟一个换行字符('\n')
在调用perror函数后，将程序停止，不再继续进行程序的运行

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

	int* p = (int*)malloc(40);

每次进行p+1都会跳过一个int*类型

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

在这里插入图片描述

malloc申请的内存空间，当程序退出时，还给操作系统
当程序不退出，动态申请的内存，不会主动释放的
需要使用free函数来释放

free

C语言提供了一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的

void free (void* ptr);

头文件为#include<stdlib.h>

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

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//开辟失败if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//开辟成功int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

释放掉栈区的p指针，但是p仍然指向堆区的空间，但没用了就会成为野指针，所以我们应该主动将p置为空

calloc

C语言中calloc 函数也用来动态内存分配
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。
头文件为#include<stdlib.h>

在这里插入图片描述
对申请内存空间的内容要求初始化，可以使用calloc函数来完成

realloc

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（总共的内存大小，包含原来内存空间的大小）
返回值为调整之后的内存起始位置。
这个函数在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函数的出现让动态内存管理更加灵活。
realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整

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

realloc在调整内存空间的是存在两种情况

原有空间之后有足够大的空间

扩展内存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

原有空间之后没有足够大的空间

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，realloc内部操作步骤：

开辟新的空间
会将旧的空间中的数据拷贝到新的空间
释放旧的空间
返回新空间的起始地址
将起始地址放在一个新的变量中，防止开辟失败将原有空间释放且没有新的空间地址

例如：

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//开辟失败if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//开辟成功 初始化为1-10int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){p[i] = i + 1;}//增加新的空间int* ptr = (int*)realloc(p, 80);if (ptr != NULL){p = ptr;ptr = NULL;}else{perror("realloc");return 1;}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}

增加新的空间时，将增加完空间之后的起始地址放在一个新的指针变量（ptr）中
在确定增加的空间开辟成功后再将新开辟空间的地址（ptr）赋给原开辟的指针变量（p）中
将新的指针变量（ptr）置为NULL，防止最后释放空间后变为野指针
结束内存空间分配后释放空间（此时p和ptr所处的地址相同，释放p指针的地址的同时ptr指针的地址相应的也不存在），置为NULL

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作
错误示例：
对动态开辟空间的越界访问
错误示例：
对非动态开辟内存使用free释放
错误示例：
使用free释放一块动态开辟内存的一部分
错误示例：
对同一块动态内存多次释放
错误示例：
动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
错误示例：

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

动态申请的内存空间，不会因为出了作用域自动销毁（还给操作系统）
只有两种方式进行销毁：

free
程序结束（退出）

C/C++程序的内存开辟

在这里插入图片描述
C/C++程序内存分配的几个区域：

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

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

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

代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码

static关键字修饰局部变量：

普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁
但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长

柔性数组

在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

typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

若编译器会报错无法编译，也可以写成

typedef struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
}type_a;

int a[];和int a[0]都成员是不确定的，表示为柔性数组

柔性数组的特点

结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员
sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存

struct S
{int n;int arr[0];
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S));return 0;
}

打印结果为：4

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

柔性数组的使用

代码1：

struct S
{int n;int arr[0];
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//释放free(ps);ps = NULL;return 0;
}

柔性数组成员arr，相当于获得了40个字节的连续空间

柔性数组的优势

柔性数组也可以用指针来代替
代码2：

struct S
{int n;int* arr;
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc->ps");return 1;}ps->n = 100;ps->arr = (int*)malloc(40);if (ps->arr == NULL){perror("malloc->arr");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//释放free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}