超详细——动态内存分配+柔性数组-Toy模板网

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一.为什么存在动态内存分配

我们已经学会的内存开辟方式有：创建一个变量，创建一个数组

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

我们创建一个整形变量就会申请4个字节，创建个数组就会申请10个字节
但是这两种方法创建的变量的空间大小是固定的，不能变大也不能变小，所以它们是有一定的局限性的，所以为了让我们能够更加灵活的控制所需要空间的大小，不够了增加，大了可以缩小。这个时候我就给大家介绍 : C语言中提供了动态内存管理相关的一些函数。

二.动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个内存开辟的函数：

malloc可以向内存申请一块连续的空间，并返回一个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。
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。
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。
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

举个例子

#include<stdio.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(20);
}

这样我们就开辟了一个20个字节的空间。因为开辟失败会返回空指针，所以一般我们需要判断p是否为空指针，若为空则停止操作。同时在程序结束的时候这块空间就用不到了，所以我们需要释放开辟的这块空间，这时就用到了free函数

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：

-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。
我们现在来完善刚刚的代码

int main()
{
	//申请
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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2.2 calloc

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：

calloc与malloc的功能大致相同，只不过calloc是开辟num个大小为size个字节的空间，并会把其所有位初始化位0。
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举个例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

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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

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。当我们觉得开辟的空间过大或者过小的时候，可以用realloc对我们的空间进行重新开辟，然后返回内存的起始位置

超详细——动态内存分配+柔性数组
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。

由于内存空间是随机分配的,当我们想要扩大原来开辟的空间时，后面的内存可能已经被占用了
所以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

因为空间足够大，realloc会在原空间后直接补上20个字节的空间，这时就变成了40个字节，同时会返回这块空间的起始地址

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情况2：原有空间之后没有足够大的空间

因为空间不够大，realloc会重新在内存中开辟一块足够大的空间，并把原来空间中存放的数据复制过来，然后返回新空间的起始地址。
此时我们想一想，原来的空间是不是就没有用处了，所有realloc也会把原来的内存空间给释放掉

超详细——动态内存分配+柔性数组
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

#include <stdio.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }
 //扩展容量
 //代码1
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
 
 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

注意：由于realloc开辟失败的时候会返回空指针，我们要是用ptr指针接收的话，ptr就变成了空指针，这样我们原来开辟的空间就搞丢了。所有我们要用一个临时的指针p来接收，当p不为空指针的时候，我们再把p中存储的地址赋给ptr,然后正常使用即可

三.常见的动态内存错误

3.1 对空指针的解引用操作

我们需要判断是否成功开辟了空间

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);
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

我们开辟了多少空间就使用多少空间，如果不够可以用realloc重新开辟，但是不能越界访问。

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);
}

3.3 对非动态开辟内存进行free释放

不是我们动态开辟的内存我们是不能进行释放的

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

3.4 动态开辟的内存没有被释放完

我们尽量不要更改开辟空间的指针

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

是不可以多次释放的

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（内存泄漏）

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

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

四. C/C++程序的内存开辟

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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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

实际上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。

五.柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）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;

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。
例如：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

5.2 柔性数组的使用

上代码：

//代码1
struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
	//      8               + 40
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10*sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}
	//调整arr数组的大小
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//使用
	//...
	
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL；

	return 0;
}

这样我们就创建了一个柔性数组，并且可以随意更改它的内存大小。

5.3 柔性数组的优势

上述代码也可以设计为：

//代码2
struct S
{
	int n;
	char c;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int*ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc2");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//扩容 - 调整arr的大小
	ptr = realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = 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户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。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，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次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