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C语言之动态内存管理

前言：
通过C语言自定义类型的知识，这篇将对动态内存管理，进行深入学习和巩固相关的知识。

/知识点汇总/

1、介绍动态内存管理

概念：动态内存管理是指在程序运行时，根据需要动态地分配和释放内存空间的过程。
那么什么时候需要应用到动态分配内存呢？
通常来说，我们经常使用的数组，一般都是定长数组，因为在内存中申请的空间是固定的；
比如，当我明确知道需要采集100个人的成绩的时候，那么就可以使用指明长度的数组 int arr[101]；
那么当我不知道采集多少人的时候，长度定1000，可能采集全校学生的信息就太小，又可能采集一个班级又太大，导致分配的空间资源得不到很好的利用，甚至浪费。
所以此时，根据C语言标准，它赋予程序员一种权力：能够动态申请和管理内存空间
目的是，合理的利用存储空间使得效率更高，让我们有能力灵活的运用而得心应手。
值得注意的是：动态内存管理的操作是在 堆区 上进行的操作的

2、动态内存函数的介绍

在C/C++中，动态内存管理主要通过malloc、calloc、realloc和free等函数来实现。
其中，malloc函数用于分配指定大小的内存空间，calloc函数用于分配指定数量和大小的内存空间并初始化为0，realloc函数用于重新分配已经分配的内存空间，而free函数则用于释放已经分配的内存空间。

2.1、malloc和free函数

malloc函数:
原型：void* malloc(size_t size);
头文件：<stdlib.h>
功能：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
返回值：
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好的空间的指针
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要判定检查（否则可能为野指针）
free函数
原型：void free( void memblock );
头文件：<stdlib.h>
功能：释放申请的内存空间，通常与申请内存空间的函数malloc()结合使用，可以释放由 malloc()、calloc()、realloc() 等函数申请的内存空间。
补充：
1）、返回值的类型是void,所以malloc函数并不确定开辟空间的类型，由使用者自己决定。
2）、如果参数size为0,malloc的行为是标准是未定义的，取决于当前的编译器。
3)、当然我们申请空间也存在失败的情况，所以需要考虑各种情况，做到代码的严谨性。
示例如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>//调用INT_MAX需申明的头文件
int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");//开辟空间失败，打印错误原因return 1;}//当申请的空间太大或被占用就会出现失败的情况int* p2 = (int*)malloc(INT_MAX*4);//INT_MAX开辟一个整型最大值的空间if (p2 == NULL){perror("malloc");//开辟空间失败，打印错误原因return 1;}return 0;
}

关于动态内存的释放
分为两种释放方式：
1.主动释放：通过free函数主动释放空间
2.被动释放：程序退出后，被操作系统回收释放
正常情况下：谁申请谁释放，万一自己不释放，也得交代给别人释放
补充：
1)、如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那么free函数的行为就是C标准未定义的
2)、如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做，即无用功

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");//开辟空间失败，打印错误原因return 1;}//动态内存的使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放动态内存空间 -- freefree(p);p = NULL;//必须将p指针开辟的空间置为空，避免导致野指针return 0;
}

2.2、calloc函数

原型：void* calloc(size_t num,size_t size);
功能：
为Num个大小为size的元素开辟一块空间，并且把空间的每一个字节初始化为0；
与malloc函数的区别只在于callloc会返回地址之前把申请的空间的每一个字节初始化为全0
头文件：<stdlib.h>
与malloc函数对比：
1)、功能对比：calloc会把每一个字节初始化为全0，而malloc不会初始化
2)、函数原型对比：
void* calloc(size_t num,size_t size);
void* malloc(size_t size);
示例如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//打印int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));//随机值，堆区 --- 不是ccccc}//释放free(p);p = NULL;int* p2 = (int*)calloc(10 , sizeof(int));if (p2 == NULL){perror("calloc");return 1;}//打印int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p2 + i));//0，堆区 --- calloc初始化}//释放free(p2);p2 = NULL;return 0;
}

2.3、realloc函数

原型：void* realloc(void* ptr,size_t size);
功能：使得动态内存管理更灵活，即对动态内存空间进行调整
头文件：<stdlib.h>
返回值：
返回的是一个void类型的指针：调用成功。（这就要求在你需要的时候进行强制类型转换）
返回NULL：当需要扩展的大小（第二个参数）为0并且第一个参数不为NULL时。此时原内存变成“free（游离）”的了。
返回NULL：当没有足够的空间可供扩展的时候。此时，原内存空间的大小维持不变。
realloc函数开辟空间的多种情况
1.特殊情况：后续空间可能被占用，不能直接增加
那么realloc函数会找一块新的空间，足够一次性能全方进所有数据的空格，并会将旧空间的数据，一同拷贝到新空间
其次，完成新空间开辟拷贝后，就释放旧空间，最后返回指向新空间的地址/指针
2.正常情况：原有空间之后有足够大的空间，返回调整之后的内存起始地址
示例如下所示：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;//使用空间存储数据for (i = 0; i < 10; i++){p[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));//0，堆区 --- calloc初始化}//空间不够时，调整空间为20个整型的空间int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL)//开辟空间成功{p = ptr;}//释放free(p);return 0;
}

realloc函数开辟空间的特殊情况：后续空间可能被占用，不能直接增加

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>int main(int argc, char* argv[]){char *p,*q;p = (char *)malloc(10);q = p;p = (char *)realloc(p,10);printf("p=0x%x/n",p);printf("q=0x%x/n",q);return 0;}

输出结果:realloc后，内存地址发生了变化 p=0x431a70 q=0x431a70

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>
int main(int argc, char* argv[])
{char *p,*q;p = (char *)malloc(10);q = p;p = (char *)realloc(p,1000);printf("p=0x%x/n",p);printf("q=0x%x/n",q);return 0;
}

输出结果:realloc后，内存地址发生了变化 p=0x351c0 q=0x431a70

realloc函数平替mallloc函数的技巧使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//等价 -- malloc(40);if (p == NULL){perror("realloc");return 1;}free(p);p = NULL;return 0;
}

3、动态内存管理过程中，一些常见的错误

在动态内存管理过程中，需要注意避免一些常见的错误：
如对NULL指针的解引用操作、对动态开辟的内存进行越界访问、对非动态开辟的内存free、使用free释放动态内存的一部分、对同一块动态内存多次释放等。

3.1、对NULL指针的解引用操作

#include <stdio.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//当此时不作返回值判断时，则有可能是对空指针进行操作，非法访问//野指针*p = 20;//解决办法：添加判断后执行//if (p == NULL)//{//	//...//}return 0;
}

3.2、对动态内存开辟的空间的越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;//越界访问，对开辟的空间越界访问了for (i = 0; i <= 10; i++){p[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

3.3、对非动态开辟内存使用了free函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int a = 10;int* p = &a;//对非动态内存空间释放空间 -- errorfree(p);p = NULL;return 0;
}

3.4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*p = i;p++;}// 0 1 2 3 4 0 0 0 0  ---- errorfor (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);//只释放了一部分动态开辟的内存空间//更好的办法是引用，另一个指针变量，使得始终保存p的起始地址p = NULL;return 0;
}

3.5、对同一块动态内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//...free(p);//error//解决办法：始终与free搭配释放后置为空指针//p = NULL;//有了空指针，以免后面再次释放时，及时报错提醒//....free(p);p = NULL;return 0;
}

3.6、动态开辟内存，忘记释放（导致内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//不释放 -- error//....//解决办法1：谁申请谁及时释放//free(p);//p = NULL;
}
int main()
{test();//在函数内开辟的动态内存，不释放//解决办法2：使void* test 设置返回值--->int* test(),返回p//用指针变量接收p//int* ret = test();// free(ret);// ....while (1);return 0;
}

4、柔性数组介绍

概念：C99标准中，规定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；柔性数组是结构体的成员
比如：

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

4.1、柔性数组的使用

方法一：使用数组的方法：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{char c;//1int i;//4int arr[];//未知大小的数组 -- 柔性数组成员
};
int main()
{//printf("%zd\n", sizeof(struct S));//8，sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存//即，不包括柔性数组的内存大小。不做计算struct S* ps = (struct s*)malloc(sizeof(struct S) + 20);if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->c = 'w';ps->i = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){ps->arr[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//如果空间不够,就可使用柔性数组和内存函数搭配，灵活使用动态内存struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40);if (ptr != NULL){ps = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}//释放free(ps);ps = NULL;return 0;
}

方法二：使用指针的方法

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{char c;//1int i;//4int* data;
};
int main()
{struct S* ps = (struct s*)malloc(sizeof(struct S) + 20);if (ps == NULL){perror("malloc1");return 1;}ps->c = 'w';ps->i = 100;ps->data = (int*)malloc(20);if (ps->data == NULL){perror("malloc2");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){ps->data[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", ps->data[i]);}//如果空间不够,就可使用柔性数组和内存函数搭配，灵活使用动态内存int* ptr = (int*)realloc(ps->data, 40);if (ptr == NULL){perror("realloc");return;}//释放free(ps->data);ps->data = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

小结：
1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员
2.sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存
3.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
对比两种方法：
柔性数组加动态内存与相比指针加动态内存的方法指针的方法更好
1.方便内存释放
2.有利于访问速度

5、结语

掌握动态内存管理用于利于我们把知识嚼碎的消化，从而更好地理解和控制内存，提高程序的效率和性能，减少内存碎片和错误，增强程序的灵活性和适应性。同时，也要避免错误和内存泄漏的可能性。
名人名言分享：
“我愿意投入时间和精力去学习，因为我知道这将使我在未来的生活中受益。” — 爱因斯坦
“生活就像海洋，只有意志坚强的人，才能到达彼岸。” — 马克思
“只有那些敢于相信自己内心有某种比生存更重要的东西的人，才能过上所想象的那种充满快乐的生活。” — 契诃夫