C动态内存管理|有张三和如花的故事你心动了吗

在讲动态内存管理之前呢，我们需要对内存有一个更深层次的了解。一般在c语言中，称呼内存为c程序地址空间，因为内存很复杂，有很多不是c中的知识，称呼C程序地址空间更为贴切。

C程序地址空间

你怎么就知道向上、向下增长呢？来看图

如果你平时打印地址仔细观察的话，会发现在栈区上同一个变量的地址每次运行后都是不一样的。比如上面的那张图，我在打印一次，地址是不一样的。其它区的上变量的地址也可能改变，在修改动作过大的时候才会。
栈区上这个现象会很明显，那你知道为什么吗？

这种现象叫栈随机化，意思就是说变量的地址是随机的，不会固定的，这是编译器对变量的一种保护机制，如果知道了变量的地址，是可以对变量进行篡改的，如果一个黑客，知道变量的地址，就可以根据这个地址去篡改一些东西，这是非常危险的。

为什么存在？

1.堆区空间足够大

技术层面上，普通的空间申请都是在栈区和全局，全局区尽量少用。但是栈区的空间有限，如果需要很大空间的话，只能在堆区。

在堆区上申请，完全是可以的。

2.堆区空间大小更为灵活

数组中大小必须固定了(不考虑变长数组)，如果在使用过程中空间不够了，只能回到定义数组的地方去换一个更大的空间，而使用堆区，它的空间大小是可以随时更改的这是和realloc函数有关，这就对顺序表就很有帮助了。

顺序表不会用数组的，用起来太挫了，因为空间的限制，开辟大了又浪费，开辟小了又不够。管理起来是很不方便的。
通过动态内存函数在堆区申请的空间，这些空间的地址都是连续的，并且在使用过程中是可以扩容或者缩小的，这是数组不具备的。因为空间地址是连续的，因此是可以在堆区上去实现顺序表。
具体是如何实现顺序表，以及如何扩容的，可以去看看这篇博客通讯录的实现，这里不仅包括了顺序表的实现和扩容，还包括了本章另一个重点柔性数组。

动态内存函数

头文件

#include<stdlib.h>

malloc

malloc函数功能：向堆区申请size个字节大小的空间。
返回值：是这块空间的起始地址，因为不知道具体的类型所以返回的是void*，具体情况根据使用者来定，潜台词是需要强制类型转换。如果开辟失败了，返回一个NULL。

这里可以规范一下代码风格，可以参照我写的，也可以不用。
大小：单个元素的空间大小*元素的个数
这样逻辑会比较清晰，另外if语句进行的条件判断，最好写，不要怕麻烦，能够提醒自己这里会存在开辟空间失败的情况，免得以后在这里吃亏。

可以看看开辟失败的情况:

可以去验证一下，开辟的空间是不是连续的。
每个地址都是相差一个4个字节，因为一个int类型的元素占4个字节的空间大小，可以换成char类型的去打印，那结果一定是连续的。

free

在C程序地址空间那块有说到有借有还再借不难，不还存在风险，在生活中嘛，不还钱风险挺大的，在C中不还空间，会造成一个很大的问题-----内存泄漏。等下可以给大家演示一下。

free函数功能：释放堆区开辟的空间。
只能传堆区空间的起始地址。

free的注意事项

内存泄漏

堆区申请的空间，必须释放，否则会发生内存泄漏。
内存泄漏：

可以看到一直在吃内存，但是吃到一定程度上，不会在消耗内存了，这是因为存在一些保护机制。
这是一个很直观的方法去看内存泄漏，对现在的你来说可能没什么影响，但是如果你是一名程序猿，在工作中写了个类似这样的程序，那会有很大的问题的，比如电脑上的杀毒软件，你说它里面能存在内存泄漏嘛？又或是操作系统，服务器程序，这些程序，你说它能有内存泄漏吗？是不能存在的。

一个疑问，程序关闭后，内存泄漏对电脑有影响吗？答案是没有影响，如果你安装的程序存在内存泄漏，你每次只要关机重启，电脑又可以使用了，但过一会又会死机，内存泄漏是根本原因。

没有free和free另外的细节

在学了动态内存函数之后，如果你学到了数据结构，比如说顺序表，存在越界的情况，有free和无free，编译器检测的效果是不一样的。
越界情况是在free过程中去检测的，free本身的报错是地址传错，下面图片展示一下。

释放非堆区的地址空间：

越界情况：

无free，有很明显的越界行为，但是没有报错。

那有free了呢

这是我单独拿出来讲，很容易知道是这里出错了，但是真到了自己写代码的时候，如果是数组，越界是不会报错的，如果使用动态内存管理，越界+free报错后，你可能都不知道是哪错了，就比如在实现顺序表的增删查改等功能的时候。

不可对堆区的空间多次释放

写在同一个文件中，犯这中错误的概率很低，但是如果是多文件中呢？
这里可以举一个通讯录中会写出多次释放的一个例子，写着写着，可能自己都不会记得，在哪释放过了。
通讯录

释放后要对指针置为NULL，避免野指针

比如free(p)，p指针仍然指向那块堆区的空间，你不置为NULL，如果在free(p)下面还有代码，再次对p进行解引那是错误的，因此要置为NULL

free(NULL)会有影响吗

并不会有任何影响。

calloc

calloc函数功能：向堆区开辟空间，并作初始化。
size_t num:元素的个数
size_t size:元素占空间大小
返回值：同样是开辟空间的起始地址，需要根据实际情况去强制类型转换，开辟失败同样会返回一个NULL

和这种写法表达的意思一样

同样写的时候注意规范，也要加上条件判断，时刻提醒自己存在开辟失败的情况。
观察初始化：

realloc

前三个还好，这个函数很重要，也存在很多细节，也可以举在通讯录中的例子。

realloc函数功能：对已经存在堆区的空间进行调整，可以扩容，也可以缩小，或者是开辟空间。
void* ptr: 存在两种形式：①NULL ②已经存在堆区的起始地址，对于①这种去调用realloc，此时realloc功能和malloc一样，根据size去开辟空间。（这个地址是任意类型的，只要在堆区就行）
size_t size:原有空间大小+调整的空间大小，比如说原来已经有4个字节的空间，现在扩容2个字节的空间，那么size是6个字节的空间。
返回值：也是堆区空间的起始地址，可能和ptr原指向的地址空间不一样，待会会详细说，正是因为这个，所以有坑。如果开辟空间失败也会返回NULL

①参数为NULL，功能和malloc一样

realloc重点–扩容问题

原有空间后面不存在足够空间的情况:

这种现象是随机的，在调用这个函数的时候要特别注意。
再拿通讯录中的例子说明。

在写增加联系人的时候，需要判断容量是否满了，满了需要进行扩容，在这里设计的时候，如果将扩容封装成函数，如果是用柔性数组设计的通讯录，这个扩容函数，要么带返回值，返回这个新的地址，要么是在传参的时候传一级指针的地址，用二级指针去接收。

另一种形式设计的通讯录就不用这样设计，主要原因是函数调用的问题，这里不在过多描述，更详细的要去博客中了解。
只记住realloc可能会更改地址，在传参的时候要注意。

部分截图

原有空间后面存在足够大的空间的情况：

在用realloc时，代码风格同样也要规范。
刚刚就说过了，如果realloc开辟失败，会返回NULL。可以想一下，如果开辟失败，指针c去接收了这个NULL，那原来堆区的空间不就找不到了吗？因此需要一个新的指针去接收返回值，再去判断开辟释放成功，开辟成功则交给指针指针c去维护。最好是用同一个指针c去维护堆区的空间，指针p只是一个中转站。

避免踩坑

除了free那提到的一些注意事项，还有下面的。

重提野指针

在详解数组和指针的那些知识中有详细介绍，上面也略微提到了，这里还是需要强调一下。
使用动态内存函数是必须和指针打交道的，对于指针的规范使用是很有必要的。
在对指针初始化的时候，如果指针没有明确指向，需要置为NULL

不可跳过起始位置去释放堆区的空间

free释放的必须是起始位置，不能只释放其中一部分。什么时候会犯这种错误呢？在对指针进行自增操作的时候。

也需要去规范，一般都是写成数组的形式去遍历堆区的空间中的元素

动态内存管理更深层次的理解

内存实际申请的空间真的和我们申请的空间一样大吗？

释放之前

释放之后，观察内存发现释放的空间比我们开辟的空间要多,换句话说，在开辟空间的时候，实际上内存申请的空间比我们申请的空间大，程序猿使用的是程序猿申请的空间，那些多出来了的空间是用来干嘛的呢？

多出来的空间是用来记录一些信息，记录什么信息呢？比如实际申请出来多大的空间，还有其它属性的信息。记录实际开辟空间大小，在free的时候就可以根据这个地址去释放多大的空间，一般实际开辟的空间和编译器有关。

free()到底释放了什么？

free：张三和如花的故事

释放后，指针仍然指向堆区的空间，但是不能访问。free究竟释放了什么？释放的本质是解除指针和对应堆空间的关系，虽然指针保留了这个地址，但是现在没有权力去访问它了。
举一个很生动的例子：如花和张三分手了，但是张三很痴情，仍然记得如花，但这个时候张三还能和如花手拉手、每天打电话吗？不能了，如花会说骚扰，然后…这应该很形象了吧φ(゜▽゜*)♪

柔性数组

柔性数组和结构体有关。

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。柔性数组数组存在下面两种形式有0和无0的。

struct S
{
   
	int a;
	char data[];
    //char data[0]; 
};

sizeof 返回结构体的大小不包括柔性数组的内存。
不记得的可以看看结构体的大小

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。

一般先给结构体分配好空间，再给柔性数组分配空间
以通讯录中的为例
伪代码如下：

typedef struct PeopleInfo
{
   
	char name[20];
	int age;
	char tele[12];
	char address[30];
}People;

typedef struct Contacts
  {
   
	int count;//当前
	People data[1000];
  }Contacts;
  
Contacts* Con = (Contacts*)malloc(sizeof(Contacts) + sizeof(People) * X);

分配空间后是下面这个样子的，通过数组名data和下标索引就可以对柔性数组进行操作了。

结束语

把结构体和动态内存管理都掌握了，可以去实现小项目通讯录，多写才能熟能生巧，才能深刻理解。那篇博客写的比较全，单链表、顺序表的和柔性数组的形式都有，可以参考下。

转载：https://blog.csdn.net/m0_64212811/article/details/127594168