详解C语言中动态内存管理及柔性数组的使用

目录

• 一、malloc
• 二、free
• 三、calloc
• 四、realloc
• 1、realloc在扩容时的情况
• 2、realloc也能实现malloc功能
• 五、使用动态内存的常见错误
• 1、free空指针
• 2、对动态开辟的空间越界访问
• 3、对非动态开辟内容free
• 4、只free动态开辟空间的一部分
• 5、对同一块内存多次free
• 6、动态内存空间忘记释放（内存泄漏）
• 六、柔性数组
• 1、柔性数组的概念
• 2、柔性数组的特点
• 3、柔性数组的使用场景
• 4、柔性数组的优点

一、malloc

这个函数向堆区申请一块连续的空间，并返回这块内存的地址。

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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。

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。

二、free

free函数用来释放动态开辟的内存。free的指针必须是指向动态内存空间的起始地址。

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。

三、calloc

num：要动态开辟的元素个数

size：每个元素的大小

calloc=malloc+memset

calloc和malloc的区别就在于calloc会将动态内存开辟的空间全部初始化为0

四、realloc

ptr：需要扩容的原始地址

size：扩容后的总大小

1、realloc在扩容时的情况

1、扩容时后方空间足够，将在后方继续扩容，返回原始地址

2、扩容时后方空间已被使用，将在新的一块区域进行扩容，并将原始数据拷贝至新的区域，free原始地址指向的内存，并返回内存块的地址。

3、空间不足，无法扩容，返回空指针

2、realloc也能实现malloc功能

int main()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    return 0;
}

realloc在当malloc使用时，第一个参数传空指针即可。

五、使用动态内存的常见错误

1、free空指针

void text()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    if (p == NULL)//判断p是否为空指针
    {
        return;
    }
    *p = 20;
}

如果开辟空间后，没有判断指针p是否是空指针，如果动态内存开辟失败，那么*p将会解引用空指针。

2、对动态开辟的空间越界访问

void text()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    int* m = p;
    if (p == NULL)
    {
        return;
    }
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
        p[i] = i;//越界
        p++;
    }
}

3、对非动态开辟内容free

void text()
{
    int arr[] = {1,2,3};
    int* p = arr;
    free(p);//不能对非动态开辟的空间进行free
}

4、只free动态开辟空间的一部分

void text()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    p++;
    free(p);//p不再指向动态开辟空间的起始位置
}

实际写代码的时候还是得多注意这种情况，指针p在使用的过程中已经不再是初始位置，free(p)会崩溃。

5、对同一块内存多次free

void text()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    free(p);
    //p = NULL;
 
    free(p);
}

free(p)后及时将p置为空指针，哪怕p被多次free也没问题。

6、动态内存空间忘记释放（内存泄漏）

void text()
{
    int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    int a = 0;
    scanf("%d", &a);
    if (a == 5)
        return;
    free(p);
    p = NULL;
}

当函数提前终止，没有机会走到free，可能会造成内存泄漏

另一种可能是调用了动态开辟内存的函数，使用者未在外部进行free

六、柔性数组

1、柔性数组的概念

C99中，结构体中最后一个成员变量可以是未知大小的数组

struct S
{
    int a;
    int arr[0];//这里的arr[0]代表未知大小的数组
};
//或者如下写法：
struct S
{
    int a;
    int arr[];
};

2、柔性数组的特点

结构体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。

3、柔性数组的使用场景

场景：将结构体中所有的成员变量全部在堆区开辟

使用柔性数组：

struct S
{
    int a;
    int arr[0];
};
int main()
{
    struct S s;
    struct S* ps = &s;
    ps = (struct S*)realloc(NULL,sizeof(s) + 40);//首次开辟空间，传NULL
    if (ps == NULL)
    {
        exit(-1);
    }
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

注意此处的realloc第一个参数传入的是NULL而不是&s，传入&s会崩溃，是因为这是第一次动态内存开辟，此处传入NULL相当于使用malloc

完成开辟后s在内存中的存储如下图：

使用常规结构体：

struct S
{
    int a;
    int* parr;
};
int main()
{
    struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));//对结构体动态开辟空间
    if (p == NULL)
    {
        exit(-1);
    }
    int* tmp= (int*)malloc(sizeof(int) * 2);//在堆区动态开辟一块空间
    if (tmp == NULL)
    {
        exit(-1);
    }
    p->parr = tmp;
    free(p->parr);//释放时，需要先释放p->parr指向的空间
    p->parr = NULL;
    free(p);//再将结构体指针p指向的空间释放
    p = NULL;
    return 0;
}

完成开辟后s在内存中的存储如下图：

4、柔性数组的优点

1、在上述条件下，使用柔性数组方便动态内存释放。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，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，可能会造成内存泄漏。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给释放掉。

2、连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

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