【C语言】动态内存开辟

写在前面

C语言中有不少开辟空间的办法，但是在堆上开辟的方法也就只有动态内存开辟，其访问特性与数组相似，但最大区别是数组是开辟在栈上，而动态内存开辟是开辟在堆上的。这篇笔记就让不才娓娓道来。
PS:本篇没有目录实在抱歉CSDN对MK语法支持太差了~🫥😶

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一、为什么存在动态内存分配

我们在C语言中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几个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 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。
3. 都是在栈内存中开辟的空间。

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。 而且我们知道栈内存空间是相对较小的，如果我们需要存放大空间的数据是，一直在栈空间中不释放，很容易造成栈溢出（stack overflow）。堆内存是可以给我们程序猿自己开辟空间的内存，堆内存相比栈是大了非常非常多，一般堆空间和我们硬件的内存相关如（1t，512GB等）。 所以这时候就只能试试动态存开辟了。

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二、动态内存函数的介绍

需要调用<stdlib.h>头文件

2.1、 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

• size_t size：代表需要开辟多少字节空间
• malloc是在堆内存上开辟一个大小为size个字节的连续空间。
• malloc开辟的内存空间不会进行初始化操作。

这个函数向堆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。
• 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。

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。
• free释放指针必须指向动态内存的起始地址。

malloc与free一般是成对出现的，在程序中，只要不再使用malloc开辟的空间就一定要free，如果不free会造成内存泄漏。如果在大项目中造成内存泄漏，可能会导致灾难。

#include <stdio.h>
int main()
{//代码1int num = 0;scanf("%d", &num);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;return 0;
}

• malloc开辟了 num乘4个字节。
• 因为是在堆上开辟的连续内存空间，所以可以使用指针+1的方式来范围对应的类型空间
• 因为ptr是int*类型，所以需要把malloc放回的void*类型强制类型转换成 int*
• 在free掉动态内存开辟的空间后，prt就变为了野指针，此时需要把prt重新赋值为NULL，以确保不会造成野指针访问。

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2.2、calloc

C语言还提供了一个动态内存开辟可以初始化内存的函数叫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);

• 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。
• 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。
• 虽然calloc可以初始化内存，但是对比起malloc的效率就相对较差，需要灵活运用calloc和malloc来动态开辟内存。
  

#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;
}

结果为：

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2.3、realloc

在前面的malloc与calloc都是固定开辟size个字节内存，如果存满了就需要使用realloc函数来进行扩容。
函数原型：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

• ptr 是要调整的malloc或calloc的内存地址
• size 调整之后新大小，size定义多大realloc就会创建多大，一般使用n倍来防止扩容扩小。
• 在C语言标准中，没有规定realloc不能缩小空间，但是在日常使用中，不推荐使用realloc函数缩容，因为在大工程里面，不是所有人都知道此前的动态内存回缩小，从而导致BUG。
• 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：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。（如下图）

  • 情况2：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。若开辟成功：函数返回的是一个新的内存地址。 而且realloc函数会把原动态开辟的地址自动free掉（如下图）。若开辟失败函数将返回空，不改变原空间。
    

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = malloc(100);if (ptr != NULL){//业务处理}else{perror("malloc::");}//扩展容量int* p = realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){printf("%p\n", p);printf("%p\n", ptr);ptr = p;p = NULL;}free(ptr);return 0;
}

结果为：

上图中我们可以看到，如果扩容空间太大，遇到情况2时候，我们打印原地址和扩容后的地址发现是不相同的。

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三、常见的动态内存错误

3.1、对NULL指针的解引用操作、对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{int* p = NULL;free(p);//如果p的值是NULL，就会有问题，指针不需要free
}

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3.2、对动态开辟空间的越界访问

与数组越界访问相似。

void test()
{int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){perror("malloc");}for (i = 0; i <= 10; i++){*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);
}

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3.3、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
}

• free释放指针必须指向动态内存的起始地址。

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3.4、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
}

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3.5、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);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

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四、了解C/C++程序的内存开辟

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。

为了更直观理解，我们对应下图一起理解：

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五、柔性数组

柔性数组其本质还是使用动态内存开辟空间，只不过是使用数组的形式进行接收罢了。
对于不才来说对于用指针来接收，唯一的优势只有：

• 如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，可以把把结构体的内存以及其成员需要的内存通过柔性数组的特性一次性分配好了，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。这样会降低用户忘记释放内存导致内存泄漏。

5.1柔性数组的定义

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;

**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操作符 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。
  

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));int i = 0;type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 5 * sizeof(int));//业务处理p->i = 5;for (i = 0; i < 5; i++){p->a[i] = i;}printf("%d\n", sizeof(type_a));free(p);return 0;
}

结果为：

• 上图中我们明显看出，结构体的成员变量i也是存放在柔性数组中的。
• 无论柔性数组有无动态开辟内存，sizeof操作符的计算都不包括柔性数组的内存。

当然，上面的代码可以定义为一个整形指针来接收，也是可以实现上述代码的功能

typedef struct st_type
{int i;int* p_a;
}type_a;int main() {int i = 0;type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));assert(p);p->i = 5;p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));assert(p->p_a);//业务处理for (i = 0; i < 5; i++){p->p_a[i] = i;}//释放空间free(p->p_a);p->p_a = NULL;free(p);p = NULL;return 0;
}

结果为：

上述创建指针也是可以完成同样的功能，但是使用柔性数组的实现有两个好处：

• 第一个好处是：方便内存释放（也是不才觉得唯一的优势…🥶🫡🫡）
  • 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需要的内存通过柔性数组的特性一次性分配好了，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（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，时间复杂度还是O(n) ）
  • 连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

对于在结构体中的指针还是柔性数组这两个区别，可以阅读一下 陈皓大神写的C语言结构体里的成员数组和指针文章

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以上就是本章所有内容。若有勘误请私信不才。万分感激💖💖 若有帮助不要吝啬点赞哟~~💖💖

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