16.【C語言進階】動態記憶體管理
為什麼存在動態記憶體分配
棧區上的記憶體開闢
int val = 20;//在棧空間上開闢四個位元組
char arr[10] = {0};//在棧空間上開闢10個位元組的連續空間
這樣直接在函式體中開闢記憶體的方式有它的特點
- 開闢記憶體的大小是固定的。
- 陣列在申請空間是，需要指定陣列大小。
- 出了函式作用域變數就失效了。
但是對於空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程式執行的時候才能知道，那陣列的編譯時開闢空間的方式就不能滿足了。這時候就只能試試動態存開闢了。
動態記憶體函式
malloc 和 free
C語言提供了一個動態記憶體開闢的函式：
void* malloc (size_t size);
這個函式向記憶體申請一塊連續可用的空間，並返回指向這塊空間的指標。
- 如果開闢成功，則返回一個指向開闢好空間的指標。
- 如果開闢失敗，則返回一個NULL指標，因此malloc的返回值一定要做檢查。
- 返回值的型別是 void* ，所以malloc函式並不知道開闢空間的型別，具體在使用的時候使用者自己來決定。
- 如果引數 size 為0，malloc的行為是標準是未定義的，取決於編譯器。
既然是動態記憶體開闢，那麼有開闢記憶體就一定有釋放記憶體。
C語言提供了另一個函式free，專門用來做動態記憶體的釋放和回收。
void free (void* ptr);
free函式用來釋放動態開闢的記憶體。
- 如果引數
ptr指向的空間不是動態開闢的，那free函式的行為是未定義的。 - 如果引數
ptr是NULL指標，則函式什麼事都不做。 - 函式執行後，
ptr仍指向該地址。
想要使用這兩個函式，我們需要包含標頭檔案 stdlib.h
#include <stdio.h> int main() { //程式碼1 int num = 0; scanf("%d", &num); int arr[num] = {0}; //程式碼2 int* ptr = NULL; ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int)); if(NULL != ptr)//判斷ptr指標是否為空 { int i = 0; for(i=0; i<num; i++) { *(ptr+i) = 0； } } free(ptr);//釋放ptr所指向的動態記憶體 ptr = NULL;//是否有必要？ return 0; }
使用方式與陣列很相似。
如果ptr不置空，會有什麼問題嗎？
自然你是不會犯錯的，但一個工程那麼原始檔，假如你在已經釋放過這邊空間了，但又沒有及時指控，ptr卻仍然指向原來的地址，好比你鄰居有了你家的門鑰匙，這可不合理合法，因此最好釋放記憶體後，將指向該空間的指標都及時置空。
calloc
C語言還提供了一個函式 calloc，它也是用來動態記憶體分配的。
void* calloc (size_t num, size_t size);
- 函式的功能是為 num 個大小為 size 的元素開闢一塊空間，並且把空間的每個位元組初始化為0。
- 與函式 malloc 的區別只在於
calloc會在返回地址之前把申請的空間的每個位元組初始化為全0。
與malloc相比它顯然多了一個功能，不過實在用的很少，完全可以使用malloc + memset兩個函式代替，不過有還是比沒有好的。
來個例子：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* ret = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (ret)
{
//
}
free(ret);
ret = NULL;
return 0;
}
通過記憶體視窗看到這裡四十個位元組的16進位制全部都成為了0，那麼free又會發生什麼？
free後這裡的資料又都變成了隨機值。
如果需要將開闢的記憶體初始化為0，那麼使用calloc會很方便。
realloc
試想這樣一種場景，假如我們申請了40個byte，但是現在卻不夠用了，那麼只依靠malloc和calloc函式，我們怎麼做？難道是另起爐灶，再重新開闢一塊空間，這樣做顯然太笨重了，因此C語言還提供了我們用來動態管理記憶體空間的函式realloc。
-
realloc函式的出現讓動態記憶體管理更加靈活。 - 有時會我們發現過去申請的空間太小了，有時候我們又會覺得申請的空間過大了，那為了合理的時候記憶體，我們一定會對記憶體的大小做靈活的調整。那
realloc函式就可以做到對動態開闢記憶體大小的調整。
函式原型：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
-
ptr是要調整的記憶體的地址 - size是調整後的位元組數
- 返回值為調整記憶體後的首地址
- 這個函式調整原記憶體空間大小的基礎上，還會將原來記憶體中的資料移動到新的空間。
-
realloc在調整記憶體空間的是存在兩種情況：- 原有空間後有充足的空間
- 原有空間後沒有充足的空間
會出現這兩種情況的原因是動態開闢的記憶體空間是隨機的，即可能會形成一塊空間上，斷斷續續的被我們所使用。
情況1
當是情況1 的時候，原有空間之後沒有足夠多的空間時，擴充套件的方法是：在堆空間上另找一個合適大小的連續空間來使用。這樣函式返回的是一個新的記憶體地址。
情況2
當是情況2的時候，要擴充套件記憶體就直接原有記憶體之後直接追加空間，原來空間的資料不發生變化。
由於上述的兩種情況，realloc函式的使用就要注意一些。
這是我們有記憶體增大需求的情況，如果是減小呢？
-
malloc在縮小記憶體時，將後面多餘的空間free掉。 -
realloc找不到合適的空間時會返回NULL。 - 如果
ptr為NULL，那麼它的功能和malloc一樣。
所以記得對返回的地址進行判空操作。
常見的動態記憶體錯誤
對空指標的解引用操作
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就會有問題
free(p);
}
解決方法：對於返回的地址要判空。
對動態開闢空間的越界訪問
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;//當i是10的時候越界訪問
}
free(p);
}
對非動態開闢記憶體使用free釋放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);
}
p指向棧區而非堆區，free不能釋放不是動態記憶體開闢的空間。
使用free釋放一塊動態開闢記憶體的一部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向動態記憶體的起始位置
}
會造成記憶體洩漏。
對同一塊記憶體空間多次釋放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重複釋放
}
重複釋放會導致第二次釋放出現問題，釋放已經不屬於我們的記憶體空間顯然不合適。
動態開闢的空間未釋放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}
忘記釋放不再使用的動態開闢的空間會造成記憶體洩漏
動態開闢的記憶體一定要釋放，且對於某一組記憶體操作函式，由誰開闢的，結束後，就由誰釋放。
例如：連結串列的初始化需要動態申請記憶體空間，那麼我們在使用完連結串列後，在銷燬連結串列的函式中就應釋放掉這些記憶體。
動態開闢的空間一定要釋放，並且正確釋放 ，多次的記憶體洩露會導致記憶體空間被浪費，導致卡頓，直至完全卡死。
C/C++程式的記憶體開闢
C/C++程式記憶體分配的幾個區域：
- 棧區（stack）：在執行函式時，函式內區域性變數的儲存單元都可以在棧上建立，函式執行結束時這些儲存單元自動被釋放。棧記憶體分配運算內置於處理器的指令集中，效率很高，但是分配的記憶體容量有限。 棧區主要存放執行函式而分配的區域性變數、函式引數、返回資料、返回地址等。
- 堆區（heap）：一般由程式設計師分配釋放， 若程式設計師不釋放，程式結束時可能由OS回收 。分配方式類似於連結串列。
- 資料段（靜態區）（static）存放全域性變數、靜態資料。程式結束後由系統釋放。
- 程式碼段：存放函式體（類成員函式和全域性函式）的二進位制程式碼。
有了這幅圖，我們就可以更好的理解在《C語言初識》中講的static關鍵字修飾區域性變數的例子了。
實際上普通的區域性變數是在棧區分配空間的，棧區的特點是在上面建立的變量出了作用域就銷燬。
但是被static修飾的變數存放在資料段（靜態區），資料段的特點是在上面建立的變數，直到程式結束才銷燬，所以生命週期變長。
柔性陣列
也許你從來沒有聽說過柔性陣列（flexible array）這個概念，但是它確實是存在的。
C99 中，結構中的最後一個元素允許是未知大小的陣列，這就叫做『柔性陣列』成員。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性陣列成員
}type_a;
有些編譯器會報錯無法編譯可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性陣列成員
}type_a;
柔性陣列的特點
- 結構中的柔性陣列成員前面必須至少一個其他成員。
- sizeof 返回的這種結構大小不包括柔性陣列的記憶體。
- 包含柔性陣列成員的結構用malloc ()函式進行記憶體的動態分配，並且分配的記憶體應該大於結構的大小，以適應柔性陣列的預期大小。
例如：
//code1
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性陣列成員
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//輸出的是4
柔性陣列的使用
//程式碼1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//業務處理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
這樣柔性陣列成員a，相當於獲得了100個整型元素的連續空間。
柔性陣列的優勢
我們完全可以使用一個在結構體中引入一個指標成員，達到相似的效果。
//程式碼2
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//業務處理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
這兩段程式碼可以完成相同的功能。
但是使用柔性陣列有什麼好處呢？
第一個好處是：方便記憶體釋放
如果我們的程式碼是在一個給別人用的函式中，你在裡面做了二次記憶體分配，並把整個結構體返回給使用者。使用者呼叫free可以釋放結構體，但是使用者並不知道這個結構體內的成員也需要free，所以你不能指望使用者來發現這個事。所以，如果我們把結構體的記憶體以及其成員要的記憶體一次性分配好了，並返回給使用者一個結構體指標，使用者做一次free就可以把所有的記憶體也給釋放掉。
第二個好處是：這樣有利於訪問速度.
連續的記憶體有益於提高訪問速度，也有益於減少記憶體碎片。（其實，我個人覺得也沒多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法來定址）