1、什么是动态内存管理？

由内存的申请内存的释放构成，这里的内存指的是堆内存，与之相对的是栈内存；在程序运行时过程中，经常根据需要进行动态内存管理，从而更加灵活地管理内存资源，包括：分配堆内存中的内存空间动态内存管理

【C语言】动态内存管理_柔性数组

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。

注意：动态内存是在堆区上开辟空间的，而之前哪两种方式是在栈区上开辟空间的。堆区中申请的空间是可被修改的，而栈区中申请的空间是固定死的无法修改。

2、如何实现动态内存开辟？

2.1、malloc （点击看详细解析）

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。

  1. 如果开辟成功，则返回⼀个指向开辟好空间的指针。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

2.2、free （点击看详细解析）

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。

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 int* ptr = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 
 {
 		int i = 0;
 		for(i=0; i<num; i++)
 		{
 				*(ptr+i) = 0；
 		}
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存 
 ptr = NULL;//是否有必要？ 
 return 0;
}

注意：当ptr指向的空间被释放后，ptr必须赋值为NULL，因为当ptr指向空间被释放后，ptr就成了野指针，这是很危险的。

2.3、calloc （点击看详细解析）

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：

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 *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 	if(NULL != p)
 	{
 		int i = 0;
 		for(i=0; i<10; i++)
 		{
 			printf("%d ", *(p+i));
 		}
 	}
 	free(p);
 	p = NULL;
 	return 0;
 }

【C语言】动态内存管理_动态内存_02

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。

2.4、realloc （点击看详细解析）

  • 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：
  1. 情况1：原有空间之后有⾜够⼤的空间
  2. 情况2：原有空间之后没有⾜够⼤的空间

【C语言】动态内存管理_柔性数组_03

情况1

  • 当是情况1的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，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，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。

举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 	//业务处理 
 }
 else
 {
 		return 1; 
 }
 //扩展容量 
 
 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中 
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？) 
 
 //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中 
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 		ptr = p;
 }
 //业务处理 
 free(ptr);
 return 0;
}

3、常见的动态内存错误（加上注释内容即为正确写法）

3.1、对NULL指针的解引用操作

void test()
 {
  	//if(p==NULL)
      //reutrn 1;
 		int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
 		*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题 
 		free(p);
 }

3.2、对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
 		int i = 0;
 		int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));//申请了40个字节
 		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);
}

3.3、对非动态开辟内存使用free释放 

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

3.4、使用free释放一块动态开辟空间的一部分

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

3.5、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 
}

3.6、动态开辟内存忘记释放

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

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。

4、柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexiblearray）这个概念，但是它确实是存在的。

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：

typedef struct st_type

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

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;

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：

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;
}

6.2、柔性数组的使用

//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;
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

6.3、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 
#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：

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。（其实，我个⼈觉得也没多⾼了，反正你 跑不了要⽤做偏移量的加法来寻址）

扩展阅读：

C语言结构体里的数组和指针

7、总结C/C++中程序内存区域划分

【C语言】动态内存管理_柔性数组_04

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。

🤔😃👌