学C的第三十二天【动态内存管理】
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相关代码gitee自取：C语言学习日记: 加油努力 (gitee.com)
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接上期：
学C的第三十一天【通讯录的实现】_高高的胖子的博客-CSDN博客
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1 . 为什么存在动态内存分配
学到现在认识的内存开辟方式有两种：
- 创建变量：
int val = 20; —— 在栈空间上开辟4个字节
- 创建数组：
char arr[10] = {10}; —— 在栈空间上开辟10个字节的连续空间
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。
- 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
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。
这时候就只能试试动态内存开辟了。
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2 . 动态内存函数的介绍
（1）. malloc 和 free ：
malloc :
该函数是一个动态内存开辟的函数，
这个函数可以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。
书写格式如下：
void* malloc (size_t size);
- 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。
- malloc声明在 stdlib.h 头文件中。
示例：
free :
malloc函数申请的内存空间在程序退出时才会还给操作系统，
如果程序不退出，动态申请的内存是不会主动释放的。
所以需要 free函数 来释放动态内存。
书写格式如下：
void free (void* ptr);
- 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声明在 stdlib.h 头文件中。
示例：
（2）. calloc ：
书写格式如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
- 函数的功能是以 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。
- 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。
- 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。
- calloc 声明在 stdlib.h 头文件中。
示例：
（3）. realloc ：
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
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，
那为了合理地使用内存，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。
书写格式如下：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
- ptr 是要调整的内存地址，如果填的是NULL空指针，那会开辟一块新的空间，跟malloc函数一样。
- size 是调整之后新大小
- 返回值 为调整之后的内存起始位置。
- 这个函数在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：
在这种情况下，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，
原来空间的数据不发生变化。
情况2 -- 原有空间之后没有足够大的空间：
在这种情况下，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，
将旧的空间中的数据拷贝到新的空间中，再释放旧的空间，最后返回新空间的起始地址。
这样函数返回的就是一个新的内存地址。
- realloc 声明在 stdlib.h 头文件中。
示例：
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3 . 常见的动态内存错误
（1）. 对NULL指针的解引用操作：
malloc、calloc、realloc函数 都可能开辟空间，
开辟空间就有可能会失败，返回 NULL空指针，
这时解引用该空指针就可能会出问题。示例：
（2）. 对动态开辟空间的越界访问：
示例：
（3）. 对非动态开辟内存使用free函数释放：
示例：
（4）. 使用free函数释放一块动态开辟内存的一部分：
使用动态空间过程中，
改变了指向动态空间的指针，
这时要使用free函数释放空间就会出问题。
示例：
（5）. 对同一块动态内存多次释放：
可以在释放动态空间后，
将该空间指针设置为空指针，
防止多次释放。
示例：
（6）. 动态开辟内存忘记释放 -- 内存泄漏 ：
只有两种方式可以对动态内存进行释放：
free函数 和 程序运行结束，
所以如果 忘记释放 或 没释放且程序无法结束，
就会造成内存泄漏。
示例：
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4 . 相关经典笔试题
题一：
进行修改：
对应代码：
//1:改前 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h>void GetMemory(char* p) {//开辟动态空间p = (char*)malloc(100); }void Test(void) {//创建空指针：char* str = NULL;//使用该指针进行动态内存开辟：GetMemory(str);//对动态空间赋值并使用：strcpy(str, "hello world");printf(str);}int main() {Test();return 0; }//1:改后 #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <string.h>void GetMemory(char** p) {//开辟动态空间*p = (char*)malloc(100); }void Test(void) {//创建空指针：char* str = NULL;//使用该指针进行动态内存开辟：GetMemory(&str);//对动态空间赋值并使用：strcpy(str, "hello world");printf(str);//使用后进行释放：free(str);str = NULL; }int main() {Test();return 0; }
题二：
进行修改：
对应代码：
//2:改前 #include <stdio.h> #include <stdlib.h>char* GetMemory(void) {char p[] = "hello world";return p; }void Test(void) {//创建空指针：char* str = NULL;//调用上面的函数：str = GetMemory();printf(str); }int main() {Test();return 0; }//2:改后 #include <stdio.h> #include <stdlib.h>char* GetMemory(void) {static char p[] = "hello world";return p; }void Test(void) {//创建空指针：char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str); }int main() {Test();return 0; }
题三：
进行修改：
对应代码：
//3：改前： #include <stdio.h> #include <stdlib.h>void GetMemory(char** p, int num) {//根据需求创建动态空间：*p = (char*)malloc(num); }void Test(void) {//创建空指针变量：char* str = NULL;//调用函数：GetMemory(&str, 100);//使用动态空间：strcpy(str, "hello");printf(str); }int main() {Test();return 0; }//3：改后： #include <stdio.h> #include <stdlib.h>void GetMemory(char** p, int num) {//根据需求创建动态空间：*p = (char*)malloc(num); }void Test(void) {//创建空指针变量：char* str = NULL;//调用函数：GetMemory(&str, 100);//使用动态空间：strcpy(str, "hello");printf(str);//释放：free(str);str = NULL; }int main() {Test();return 0; }
题四：
进行修改：
对应代码：
//4：改前： #include <stdio.h> #include <stdlib.h>void Test(void) {//创建动态空间并接收：char* str = (char*)malloc(100);//使用动态空间：strcpy(str, "hello");//释放：free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);} }int main() {Test();return 0; }//4：改后： #include <stdio.h> #include <stdlib.h>void Test(void) {//创建动态空间并接收：char* str = (char*)malloc(100);//使用动态空间：strcpy(str, "hello");//释放：free(str);str = NULL;if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);} }int main() {Test();return 0; }
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5 . C/C++程序的内存开辟
（1）. C/C++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OS（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。
图示：
有了这幅图，
我们就可以更好的理解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。
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6 . 柔性数组
C99中，结构体中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。
实例：
（1）. 柔性数组的特点：
- 结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
- sizeof 返回的这种结构体大小不包括柔性数组的内存。
- 包含柔性数组成员的结构体用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。
实例：
（2）. 柔性数组的使用：
实例：
（3）. 柔性数组的优势：
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（使用两次malloc函数可以实现类似柔性数组的效果），
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。
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（两个开辟的空间中间空余的内存）。
