【C語言進階學習筆記】五、動態記憶體分配（爆肝吐血力作，強烈建議收藏！！！）

前言

現代計算機基本都是基于馮諾伊曼結構體系設計出來的，馮諾伊曼結構體系的核心就是“存盤程式”，將程式（指令集）和資料以同等地位存盤在記憶體中，但是我們的記憶體空間并不是無限大的，所以為了高效的利用好記憶體空間，作業系統會對這些記憶體空間進行相應的磁區，不同區域的記憶體有其對應的功能和使用方式，

比如區域變數、函式形參通常是存盤在堆疊區的，這部分記憶體空間的特點就是臨時使用，用完即釋放（當然這個都是由作業系統自動完成的，不需要程式員的干預）；
再比如全域變數通常存放在靜態區，此外由static修飾的區域變數也會放到靜態區（所以static修飾區域變數，本質上是改變了其存盤的位置，從堆疊區-- > 靜態區），這部分記憶體空間就是生命周期很長，長到整個程式運行結束；
再例如我們使用的常量字串，會被保存到常量區，這部分記憶體區域的特點就是類似于“常量”，不可被修改，相當于添加了一個“const”的buff，
（我的廢話：在學習的時候如果可以多多思考，聯系不同的知識點，當將這些內容串起來時，可以形成一個比較宏觀、整體的角度，更進一步，如果我們能夠從中找到樂趣就更好了！現在我們進入正題吧！）

全文結構：

一、尋根問底

什么是動態記憶體分配 / 管理？

由程式員根據實際編程需要向作業系統申請，在堆區上開辟的，供程式員操作使用和維護的記憶體空間，程式員的游樂園！通常是一些臨時用到的資料或者變數，隨時開辟，用完隨時釋放，而不必等到函式結束后由作業系統回收！

為什么需要動態記憶體分配？

實際編程中，不僅需要大小固定的記憶體空間，往往還需要大小可變的記憶體空間，
比如說如果我們要建立一個通訊錄，用來存放相關資訊（姓名、性別、年齡、電話等），這種復雜的資料，我們知道要用結構體型別來存盤，而且要用結構體陣列來存，但是問題是“這個陣列的大小應該多大呢？”
這個問題確實不好回答，如果長度給小了，那么就會導致資料溢位，進而引發程式崩潰，
如果給大了，又會導致存盤空間大量浪費，空間利用率低，
為了解決這一類問題，就出現了動態記憶體分配，記憶體空間按需索取，要多少給多少！

怎么建立動態記憶體分配？

通過系統提供的4個庫函式實作，malloc\calloc\realloc\free，這四個函式后面我們會詳細介紹，

二、動態記憶體函式

注意：以下說的四個函式的頭檔案均為：stdlib.h

malloc

函式原型：void * malloc(size_t size);

size_t就是unsigned int（無符號整型）

這個函式的作用就是在動態存盤區中分配一個長度為size個位元組的連續空間，并回傳指向該空間的指標，

1）如果開辟成功，則回傳一個指向開辟好空間的指標，
2）如果開辟失敗，則回傳一個NULL指標，因此malloc的回傳值一定要做檢查，
3）回傳值的型別是void * ，所以malloc函式并不知道開辟空間的型別，具體在使用的時候使用者自己來決定，
4）如果引數size為0，malloc的行為是標準是未定義的，取決于編譯器，

動態開辟的空間如何釋放和回收呢？
C語言提供了一個專門完成這個功能的庫函式-- - free

free

函式原型：void free(void* p)

free的作用就是釋放指標變數p所指向的動態空間，使這部分空間能夠重新被利用，

1）如果引數ptr指向的空間不是動態開辟的，那free函式的行為是未定義的，
2）如果引數 ptr是NULL指標，則函式什么事都不做，

現在來看一下實際的使用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//1.通過動態開辟申請10個int型別的空間
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//通常結合sizeof一起使用
	//根據實際使用強制型別轉換為想要的型別
	//2.malloc有可能申請空間失敗，所以需要判斷一下
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");//perror是一個報錯函式，實際出錯時列印效果為：main:xxxxxx（錯誤原因）
		return 0;//出錯就直接結束函式
	}
	//3.使用 給這10個整型空間賦值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	//列印一下
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);//這里可以直接使用陣列下標的形式，和指標解參考是一樣的
	}
	//4.釋放
	free(ptr);
	ptr = NULL;//需要手動置為NULL，防止非法訪問
	return 0;
}

注意： 用malloc申請的空間，里面的內容是隨機值，如果不初始化的話，可能就會得到一些意想不到的值；

理解：如果引數ptr指向的空間不是動態開辟的，那free函式的行為是未定義的，

為什么要進行動態記憶體的釋放和回收？

記憶體空間是有限的，如果我們每次在使用的時候只是一味的向申請空間，即使空間再大，也會被用完，而且如果使用的空間不釋放會導致電腦越來越卡，程式運行越來越慢！

那釋放之后為什么要手動將指標賦值為NULL（空指標）呢？

舉一個生活中的例子吧，假設有一個男生跟他女朋友分手了，如果這個男生還一直保留這個女生的電話、微信，更有甚者，還有這個女生家里面的鑰匙，如果你是這個女生的話，你希望他仍然保留這些資訊和物品嗎？你肯定是不想對吧，指不定哪一天他不高興或者其它原因就來騷擾你，（所以才會有一句話叫做情侶分手千萬不要藕斷絲連，當然如果你是這個男生的話，你可能還想著以后和好如初，念念不忘，必有回響~haha），
言歸正傳，編程中如果指標指向的空間已經被釋放了，如果不將其置為NULL，那么其仍然保留這個地方的地址，之后仍然有可能訪問到這片空間，這個生活就是非法訪問了！

那有沒有動態分配函式在申請空間的同時就進行初始化呢 ?

答案當然是有，接下來要結束的calloc就是這樣的一個函式

calloc

函式原型：void * calloc(size_t num, size_t size);

1）函式的功能是為num 個大小為size的元素開辟一塊空間，并且把空間的每個位元組初始化為O
2）與函式ma1loc的區別只在于calloc會在回傳地址之前把申請的空間的每個位元組初始化為全0，

比如剛剛的上面的代碼，如果我們將malloc換成calloc，不進行手動初始化：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		//perror是一個報錯函式，實際出錯時列印效果為：main:xxxxxx（錯誤原因）
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

光從上面這三個函式的介紹，我們可能并沒有深刻體會到“動態記憶體分配”的動態體現在哪，接下來要介紹的函式才是動態記憶體分配的“靈魂”-- - realloc

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，那為了合理的使用記憶體，我們一定會對記憶體的大小做靈活的調整，那rea1lloc函式就可以做到對動態開辟記憶體大小的調整，

函式原型：void * realloc(void* ptr, size_t size);

1）ptr是要調整的記憶體地址.size是調整之后新大小
2）回傳值為調整之后的記憶體起始位置
3）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，（這種移動的方式實際上就是復制拷貝，會將原內容復制拷貝到新記憶體中）
4）realloc在調整記憶體空間的是存在兩種情況︰
情況1∶原有空間之后有足夠大的空間
情況2︰原有空間之后沒有足夠大的空間

當是情況1的時候，要擴展記憶體就直接原有記憶體之后直接追加空間，原來空間的資料不發生變化，
當是情況2的時候，原有空間之后沒有足夠多的空間時，擴展的方法是∶在堆空間上另找一個合適大小的連續空間來使用，這樣函式回傳的是一個新的記憶體地址，

由于上述的兩種情況，realloc函式的使用就要注意一些，

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		return 0;
	}
	//業務處理
	//進行擴容操作
	int* p = (int*)realloc(ptr, 100 * sizeof(int));
	//注意：不能直接將擴容之后的地址給ptr，因為存在擴容失敗的可能，會導致ptr地址丟失
	if (p == NULL)
	{
		printf("raalloc failed!\n");
		return 0;
	}
	ptr = p;
	//業務處理
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常見的動態記憶體錯誤

1）對空指標NULL的解參考操作

void test()
{
	//int* p = NULL;
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;//如果p的值為NULL，就會出問題
	free(p);
}

2）對動態開辟空間的越界訪問

當I = 10時越界訪問

3）對非動態開辟記憶體使用 free 釋放

4）使用 free 釋放一塊動態開辟記憶體的一部分

5）對同一塊動態記憶體的多次釋放

6）動態開辟記憶體忘記釋放（導致記憶體泄露）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	while (1)
	{
		test();
	}
	return 0;
}

四、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，結構中的最后一個元素允許是未知大小的陣列，這就叫做『柔性陣列』成員，

其實從名字我們也可以大概知道其含義，“柔性”指柔軟的，可變動的，flexible 本就具有靈活的，可變的含義，

舉例：

struct S
{
	int n;
	int arr[];//還可以寫成這樣 int arr[0];
};

柔性陣列的特點∶
1）結構中的柔性陣列成員前面必須至少一個其他成員，（也就是說柔性陣列成員不能單獨存在）
2）sizeof回傳的這種結構大小不包括柔性陣列的記憶體，（計算大小的時候，不考慮柔性陣列成員的大小）

3）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，并且分配的記憶體應該大于結構的大小，以適應柔性陣列的預期大小，（也就是包含柔性陣列成員的結構體型別在創建變數的時候，需要用動態記憶體開辟的方式來創建，原因是：柔性陣列的大小可變，那么其創建出來的結構體變數大小也是可變的，所以需要動態開辟的方式來創建！）

舉例：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	int arr[];//還可以寫成這樣 int arr[0];
};
int main()
{
	//struct S s1;這種方式創建的變數無法正常使用
	//printf("%d\n", sizeof(s1));
	//假設我們期望arr的大小是10個int型別
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	return 0;
}

動態開辟記憶體分布情況如圖：

正因為空間是動態開辟出來的，如果后續使用的時候，陣列arr的空間大小不夠了，可以通過realloc去動態調整，體現了其“柔性”的特點，

完整的代碼：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	int arr[];//還可以寫成這樣 int arr[0];
};
int main()
{
	//假設我們期望arr的大小是10個int型別
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	ps->n = 10;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//調整
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
	ps = ptr;
	//使用
	//.....
	//釋放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

柔性陣列功能的替代方法
用一個指標代替柔性陣列成員

struct S
{
	int n;
	//int arr[];//還可以寫成這樣 int arr[0];
	int* arr;//替換柔性陣列
};

柔性陣列與非柔性陣列比較

好處一：方面記憶體釋放
如果我們的代碼是在一個給別人用的函式中，你在里面做了二次記憶體分配，并把整個結構體回傳給用戶，用戶呼叫free可以釋放結構體，但是用戶并不知道這個結構體內的成員也需要free，所以你不能指望用戶來發現這個事，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，并回傳給用戶一個結構體指標，用戶做一次free就可以把所有的記憶體也給釋放掉，
好處二 : 這樣有利于訪問速度.
連續的記憶體有益于提高訪問速度，也有益于減少記憶體碎片，(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尋址)
（涉及到記憶體池，區域性原理：空間區域性原理、時間區域性原理，有興趣的同學可自行查找資料！）

回顧：