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C语言详解：动态内存管理（含C99柔性数组）-创新互联

1. 为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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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

上述的开辟空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。

2. 需要的内存在编译时分配

但是对于空间的需求，有时候在程序运行的时候才能知道。

于是便有了动态内存分配，在堆区开辟内存空间

2. 动态内存函数的介绍

malloc，calloc，free，realloc函数都声明在stdlib.h 头文件中

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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。

  1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针

  1. 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）

  1. 返回值类型是 void* ，所以malloc并不知道开辟空间的类型，由使用者自己来决定

  1. 如果参数 size 为0，malloc的行为是未定义的

而C语言提供了另外一个函数free，用于动态内存的释放和回收：

void free (void* ptr);

  1. 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，则free函数的行为是未定义的

  1. 如果参数 ptr 是NULL指针，则free函数什么事都不做

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ，也用于动态内存分配：

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间

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

与malloc的区别：

calloc会把空间的每个字节初始化为0

而malloc函数不会

举个例子：

#include#includeint main()
{
    int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if(NULL != p)
    {
    //使用空间
    }

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

因此，如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，就可以使用calloc函数来完成任务。

注意！malloc,calloc 都是在堆区上申请空间，空间使用完后都要释放

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活

有时候我们发现之前申请的空间太小了

为了合理使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整

而realloc 函数就可以对动态开辟的内存的大小进行调整

void* realloc (void* ptr, size_t size);

ptr 是要调整的内存地址

size 调整之后新大小

返回值为调整之后的内存起始位置

注意！realloc在调整内存空间的存在两种情况：

1. 原空间后面有足够大的空间

此时，要扩展内存就直接在原有内存之后追加空间，原空间的数据不发生变化

2. 原空间后面没有足够大的空间

此时，要扩展内存，就会在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用

原空间的数据会被拷贝到新空间中，并且原空间的内存会被释放

这样函数返回的是一个新开辟空间的起始地址

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

举个例子：

#includeint main()
{
    //正常开辟动态内存
    int *ptr = (int*)malloc(100);
    if(ptr != NULL)
    {
      //...
    }
    else
    {
      exit(EXIT_FAILURE);  
    }

    //下面要扩展容量

    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？
    //答：不行

    //正确做法
    int*p = (int*)realloc(ptr, 1000);
    if(p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }
    //...
    free(ptr);
    return 0;
}

如上面代码所示，我们先利用malloc正常开辟了100个字节的连续内存空间，在判断返回的指针非空之后，再进行一系列使用。

这时，我们想扩展容量，需要用到realloc函数。

先看代码1，我们想用上面接收malloc返回值的指针ptr来接受realloc的返回值，这时如果realloc开辟失败，ptr将接收到realloc返回的一个空指针，此时我们就丢失了malloc开辟的内存空间的地址，导致后面无法释放malloc开辟的内存，造成严重后果！

所以正确的做法是，另外定义一个指针变量p接收realloc的返回值，先判断p是非空指针后，确认了新空间已经开辟，而realloc会自动释放旧空间，所以此时便可以大胆的将p的值赋给ptr，后续要释放新空间的内存时，只需free(ptr)即可。

其实，类似的注意事项和坑点还有很多，我们只需把握一个原则：

动态开辟的内存空间，最后一定要释放，并且指针要置空！

而想要释放内存，便要保证存放该内存地址的指针还存在！

释放完内存后，指针必须置空，防止非法访问原先地址而擦写数据！

3. 常见错误

  1. 对NULL指针的解引用操作

  1. 对动态开辟空间的越界访问

  1. 对非动态开辟内存使用free释放

  1. 只释放了一块动态开辟内存的一部分

  1. 对同一块动态内存重复释放

  1. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. 柔性数组

柔性数组（flexible array）：

在C99 中，结构体内的最后一个元素允许是未知大小的数组，称之为柔性数组成员

如下图所示：

typedef struct s
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}s;

有些编译器可能会报错，可以用下面方法表示：

typedef struct s
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}s;

那柔性数组有什么特点呢？

  • 在结构体中，柔性数组成员的前面至少有一个其他成员

  • 利用sizeof 计算这种结构体的大小时，不包括柔性数组的内存

例如：

又如：

显然，利用sizeof 计算这种结构体的大小时，不包括柔性数组的内存。

那么柔性数组该如何使用呢？

记住：

使用包含柔性数组成员的结构体时，要进行动态内存分配

分配的内存要大于结构体的大小，从而适应柔性数组的预期大小

#include#includetypedef struct s
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}s;

int main()
{
    int i = 0;
    s* p = (s*)malloc(sizeof(s) + 100 * sizeof(int));
    p->i = 100;
    for (i = 0; i< 100; i++)
    {
        p->a[i] = i;
    }
    for (i = 0; i< 100; i++)
    {
        printf("%2d ", p->a[i]);
    }
    printf("\n");
    free(p);
    p = NULL;
}

运行结果如下：

这样，柔性数组成员a，就获得了100个整型元素大小的连续空间，可以使用。

又柔性数组的内存是动态分配的，因此如果对之前分配的内存大小不满意，则可以利用realloc函数进行增容，例如：

#include#includetypedef struct s
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}s;

int main()
{
    int i = 0;
    s* p = (s*)malloc(sizeof(s) + 100 * sizeof(int));
    s* ptr = (s*)realloc(p, sizeof(s) + 200 * sizeof(int));

    if (ptr == NULL)
    {
        perror("realloc");
        return 1;
    }
    
    //使用

    //释放
    p = NULL;
    free(ptr);
    ptr = NULL;

    return 0;
}

这样，我们就将柔性数组a进行了扩容，获得了200个整型元素大小的连续空间。

5. 结语

通过本篇文章的学习，我们掌握了C语言动态内存分配和C99中柔性数组的知识！

希望大家有所收获，我们共同进步！

感谢阅读！

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