动态内存管理——malloc、free、calloc、realloc和柔性数组

BlackQid
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简介：1为什么要有动态内存分配；2malloc和free；3calloc和realloc；4柔性数组；5总结C/C++中程序内存区域划分

1 为什么要有动态内存分配

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，必须指定数组的长度，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。

2 malloc和free

2.1 malloc

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。

  • 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。

2.2 free

void free (void* ptr);

free函数专门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。

**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。

使用free函数时通常还搭配指针赋为NULL操作，以避免出现野指针。

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

int main()
{
	//申请5个整型的空间
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		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\n", *(p + i));
	}

	//释放
	free(p);//释放ptr所指向的动态内存
	p = NULL;//消除野指针
	return 0;
}

3 calloc和realloc

3.1 calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

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。

  • 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会初始化。

所以如果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。

3.2 realloc

  • realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。它有两个应用：1调整动态内存申请的空间；2开辟一块空间（当成malloc用）。
  • 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，那为了合理的使用内存，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是调整之后新大小
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • 如果调整无法完成，则返回一个NULL指针

realloc在能够调整内存空间时会存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间

情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况一

要扩展内存就直接在原有内存之后追加空间，原来空间的数据不发生变化，返回的指针与传入的指针指向同一空间。

情况二

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。

具体过程：

  1. 找一块能满足大小的新空间
  2. 将旧空间的数据，拷贝到新的空间
  3. 释放旧的空间
  4. 返回新空间的地址

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

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

int main()
{
	//申请5个整型的空间
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; ++i)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	
	//空间不足，希望存储1~10
	//调整空间
	int* tmp = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
	if (tmp == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		p = tmp;
		tmp = NULL;
	}
	
	for (i = 5; i < 10; ++i)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}

	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4 柔性数组（flexible array）

C99中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组。其中大小未知的最后一个元素就叫做柔性数组成员。

struct S
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
};
//有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct S
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
};

4.1 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成员的内存（因为还不确定）。
  • 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。

4.2 柔性数组的使用和优势

//代码1：柔性数组实现
struct S
{
    int n;
    int a[];//柔性数组成员
};
int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
    if (ps == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    ps->n = 100;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        ps->a[i] = i + 1;
    }
    //如果a数组的空间不够的话，可以动态的调整
    struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        perror("realloc");
        return 1;
    }
    ps = ptr;

    //继续使用了

    free(ps);
    ps = NULL;

    return 0;
}

//代码2：另一种实现
struct S2
{
	int n;
	int* a;
};
int main()
{
	struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc1");
		return 1;
	}
	ps->n = 100;
	
	int*p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc2");
		return 1;
	}
	ps->a = p;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->a[i] = i + 1;
	}
	//空间不够了 - 扩容
	int*p2 = realloc(ps->a, 20 * sizeof(int));
	if (p2 == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	ps->a = p2;//
	//接着使用

	//释放内存
	free(ps->a);
	ps->a = 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

代码1中做一次free就可以把所有的内存释放掉。

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。

扩展阅读：

coolshell.cn/articles/11…

5 总结C/C++中程序内存区域划分

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，程序结束时可能由操作系统回收。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。

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