[C][动态内存分配][柔性数组]详细讲解

1.动态内存函数的介绍

1.malloc

函数原型：void* malloc(size_t size)
功能：
- malloc()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
返回值：
- 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()并不知道开辟空间的类型**，具体在使用的时候使用者自己来决定(强制类型转换)
如果参数size == 0，malloc()的行为是标准是未定义的，取决于编译器

2.free

函数原型：void free(void* ptr)
功能：free()用来释放动态开辟的内存
如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那free()的行为是未定义的
如果参数ptr是NULL，则函数什么事都不做
一次完整的动态内存开辟的例子

int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if(p == NULL)
{
	perror("main"); // main: xxxx
	return 0;
}

// 使用
for(int i = 0; i < 10; i++)
{
	*(p + i) = i;
}

free(p); // 回收空间
p = NULL; // 手动把p置为NULL

2.calloc

函数原型：void* calloc(size_t num, size_t size)
功能：为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
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
如果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

4.realloc

函数原型：void* realloc(void* ptr, size_t size)
功能：
- realloc()的出现让动态内存管理更加灵活
- 有时会发现过去申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间过大了，一定会对内存的大小做灵活的调整，那realloc()就可以做到对动态开辟内存大小的调整
参数：
- ptr：要调整的内存地址
  - 若ptr == NULL，则realloc()作用同malloc()
- size：调整之后新大小
返回值：调整之后的内存起始位置
注意：这个函数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()在调整内存空间时，存在两种情况
1. 原有空间之后有足够大的空间
  - 要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化
2. 原有空间之后没有足够大的空间
  - 扩展方法：
    - 在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用
    - 这样函数返回的是一个新的内存地址
- 由于上述的两种情况，realloc()的使用就要注意一些
例如：为了确保内存空间成功开辟，拿一个临时指针去接收新开辟的空间的地址，再赋值，这样保证了万一没有成功开辟新的地址，而丢失了原来的地址

int* p = （int*)calloc(10, sizeof(int));
if(p == NULL)
{
	perror("main");
	return 1;
}

for(int i = 0; i < 10; i++) // 使用
{
	*(p + i) = i;
}

// 这里需要p指向更大空间，realloc调整
int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
if(ptr != NULL)
{
	p = ptr;
}

free(p);
p = NULL;

2.常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作
对动态开辟空间的越界访问
使用free释放非动态开辟的空间
使用free释放动态内存中的一部分
对同一块动态开辟的空间，多次释放
动态开辟的空间忘记释放- 内存泄漏 -> 比较严重

经典例子一：
- str传给GetMemory()的时候是值传递，所以GetMemory()的形参p是str的一份临时拷贝
- 在GetMemory()内部动态申请空间的地址，存放在p中，不会影响外边的str，所以当GetMemory()返回之后，str依然是NULL，所以strcpy()会失败
- 当GetMemory()返回之后，形参p销毁，使得动态开辟的100个字节存在内存泄漏无法释放

void GetMemory(char* p)
{
    p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

// 改进一
char* GetMemory(char* p)
{
    p = (char *)malloc(100);
    return p;
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory(str);
    strcpy(str, "SnowK");
    free(str);
    str = NULL:
}

// 改进二
void GetMemory(char** p)
{
    *p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str);
    strcpy(str, "SnowK");
    free(str);
    str = NULL:
}

经典例子二：
- GetMemory()内部创建的数组是在栈区上创建的
- 出了函数，p[]的空间就还给了操作系统
- 返回的地址是没有实际的意义，如果通过返回的地址去访问内存，就是非法访问内存

char* GetMemory()
{
	char p[] = "SnowK";
	return p;
}

void Test()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
}

3.C/C++程序的内存开辟

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
  - 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

4.柔性数组

1.是什么？

struct s
{
	int n;
	int arr[]; // 大小是未知
}

2.柔性数组的特点

结构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

typedef struct st_type
{
	int i;
	int arr[0]; // 柔性数组成员
}type_a;

printf("%d\n", sizeof(type_a)); // 输出的是4

3.柔性数组的使用

// 期望arr的大小是10个整形
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
ps->n = 10;

for(int i = 0; i < 10; i++)
{
	ps->arr[i] = i;
}

// 增加
struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
if(ptr != NULL)
{
	ps = ptr;
}

// 使用
// ...
// 释放
free(ps);
ps = NULL;

4.柔性数组的优势

方便内存释放
- 如果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()，所以你不能指望用户来发现这个事
- 所以，如果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
这样有利于访问速度
- 连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片
  - 其实，个人觉得也没高多少，反正也避免不了要用做偏移量的加法来寻址