我們在學習內存的時候，都會知道下面三種內存開闢的方式：
- 1.從靜態存儲區分配，生命週期隨程序的結束而結束，比如全局變量，static變量
- 2.從棧空間分配，函數調用完其被自動釋放
- 3.從堆空間分配，即動態內存開闢，比如：malloc,calloc,realloc，何時申請何時釋放
其中最主要的就是第三種內存開闢方式，下面就一一進行總結。
一.爲什麼存在動態內存開闢
int val = 20;//在棧空間上開闢四個結點
char arr[10] = {0};//在棧空間上開闢十個連續字節的空間
特點：
- （1）空間開闢大小是固定的
- （2）數組在聲明的時候，必須指定數組的大小，它所需要的內存在編譯時分配
對於其他很多種情況來說，我們所需要的空間大小在運行時纔會知道，那麼數組編譯時開闢空間的大小就不能滿足，這時候就只能用動態內存開闢。
二.malloc函數和free函數
1.c語言中的動態內存開闢函數：
void * malloc(size_t size);
#include<stdio.h>
int main()
{
int * ptr = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
if(NULL != ptr)
{
for(int i = 0;i < 10;++i)
{
*(p + i) = i;
}
}
free(ptr);
ptr = NULL;
}
- （1）這個函數向內存申請一塊連續可用的空間，並返回指向這個空間的指針。
- （2）如果開闢成功，則返回好一個指向開闢空間的指針。
- （3）如果開闢失敗，則返回nullptr指針，因此malloc的返回值要做類型檢查
- （4）返回值的類型是void* ，所以malloc函數並不知道開闢空間的類型，具體在使用的時候由使用者來進行決定
- （5）如果參數size爲0，malloc的行爲是標準未定義的，取決於編譯器。
2.c語言還提供了另一個函數，用來做動態內存的釋放和回收，函數如下：
void free(void * ptr)
- （1）free函數用來釋放動態內存的開闢。
- （2）如果參數ptr指向的空間不是動態開闢的，那麼free的行爲是未定義的。
- （3）如果參數是空指針，則函數什麼事情都不用做。
3.malloc函數的底層實現
不同操作系統下的malloc函數的實現方式略有不同，在這裏，我簡單說一下linux下的實現原理。
linux維護一個break指針，這個指針指向堆空間的某個地址，從堆起始地址到break之間的地址空間是映射好的，可以供進程訪問；而從break往上，是未映射的地址空間，如果訪問這段空間則程序會報錯。
我們用malloc進行內存分配就是從break往上進行。獲得break指針的位置也就得到了堆內存申請的起始地址，malloc實際上可用空間用一個空閒鏈表連接起來，若用戶申請空間，就遍歷該鏈表，找到第一個滿足空間的空閒塊，將其進行拆分，返回合適大小的空間給用戶，將剩下的部分鏈接到鏈表中。
當調用free函數釋放空間時，就會把這塊空間連接到空閒鏈表上。到最後，該空閒鏈表就會被切成很多小的內存塊，一旦用戶申請一塊較大的空間的時候，空閒鏈中的空間大小都無法滿足需求，malloc會申請延時，對空閒鏈表進行檢查，內存重新整理，把相鄰的小片段合成大的空閒塊。
搜索空閒塊最常見的算法：首次適配，下一次適配，最佳適配
首次適配：第一次找到足夠大小的空間就進行分配，這種方法會產生很多的內存碎片。
下一次適配：也就是說第二次找到足夠大小的內存塊就進行適配，這樣會產生比較小的內存碎片。
最佳適配：對堆進行徹底的搜索，從頭開始，遍歷所有的內存塊，使用數據區大小大於size且差值最小的塊作爲此次分配最小的塊。
malloc函數中實際調用了brk（），sbrk（）函數
int brk(void * addr);
void * sbrk(intptr_t increment);
這兩個函數都用來改變“program break”（程序中斷點的位置），改變數據段長度，實現虛擬內存到物理內存的映射，brk（）函數直接修改有效訪問範圍的末尾地址實現分配和回收。
注意
當使用malloc分配過大的空間，malloc將不在從堆中分配空間，而是使用mmap（）這個系統調用從影射區尋找可用的內存空間。
- （1）當開闢的空間小於128k時，調用brk（）函數，malloc的底層實現是系統調用brk（），其主要移動指針_enddata來開闢空間。
- （2）當開闢的空間大於128k時，mmap（）系統調用函數在虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱爲文件映射區域的地方）找一塊空間來開闢。
類Unix操作系統的內存分配函數 sbrk/brk 都可以用來分配內存空間，也可以釋放內存空間。sbrk和brk本質上是一樣的。只是參數不同，所以可以互用(如sbrk分配的空間可以用brk來釋放)。
（1）sbrk 參數n是一個整數 n>0 當前位置向後移 相當於分配內存空間 n<0 當前位置向前移 相當於釋放內存空間 n=0 當前位置移動0個字節(不動) 主要是爲了返回當前位置 sbrk(0) : 當程序中第一次調用sbrk(0)時，系統並不會分配物理空間，只是返回一個未使用的虛擬內存地址之後再分配空間時，系統會將分配的物理空間和此虛擬地址進行映射。以後調用sbrk(0),僅僅是返回當前位置。
（2）brk brk的功能和實現與sbrk完全一樣，不同的是，brk使用絕對地址來指定當前位置要移到哪裏去，如果向後移就是分配空間，向前移就是釋放空間。 一般情況下，我們會用sbrk分配空間，用brk釋放空間。
三.calloc函數
c語言還提供了一個函數叫calloc，calloc函數也用來動態內存分配，原型如下：
void* calloc(size_t num,size_t size);
- （1）函數的功能是爲num個大小爲size的元素開闢一塊空間，並且把空間的每個字節都初始化爲0
- （2）與函數malloc的區別只在於calloc會在返回地址之前把申請的空間的每個字節初始化全爲0。
#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
int *p = calloc(10,sizeof(int));
if(nullptr != p)
{
//對這塊空間進行使用
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
如果我們要對申請的空間內容進行初始化，那麼就可以用calloc函數。
四.realloc函數
realloc函數的出現讓動態內存管理更加靈活了。
有時候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，那爲了合理的分配內存，我們一定會對內存的大小做靈活的調整。那realloc函數就可以做到對動態開闢內存大小的調整。
函數原型如下：
void* realloc(void * ptr , size_t size);
- ptr是要調整的內存地址
- size調整之後新大小
- 返回值爲調整之後內存的起始位置
- 這個函數調整原有內存空間大小的基礎上，還會將原來內存中的數據移動到新的空間。
realloc函數調整空間的兩種情況：
- 1.原有空間之後有足夠大的空間
- 2.原有空間之後沒有足夠大的空間
**情況1：**要擴展內存的時候就直接在原有內存之後直接追加空間，原有空間數據不會發生變化。
**情況2：**原有空間之後沒有足夠多的空間，在堆上找到一個連續空間來進行使用。這樣返回的是一個新的內存地址。
#include<stdio.h>
int main()
{
int *ptr = malloc(100);
if(ptr != NUll)
{
//對開闢的內存進行處理
}
int *p = NULL;
p = realloc(ptr,1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
free(ptr);
return 0;
}
五.常見的內存錯誤
- 1.對NULL指針的解引用操作
- 2.對動態內存開闢空間的越界訪問
- 3.對非動態開闢內存使用free函數
- 4.使用free釋放一塊動態開闢內存的一部分
- 5.對同一塊空間進行多次釋放
- 6.動態內存開闢忘記釋放
面試題：
題目1.
void GetMemory(char * p)//錯誤：傳參出錯char** p
{
p = (char *) malloc(100); //*p = (char *) malloc(100);
}
void Test(void)
{
char * str = NULL;
GetMemory(str);//GetMemory(&str);
strcpy(str,"hello world");
printf(str);
//free(str);
//str = NULL:
}
//程序崩潰
//錯誤1：沒有釋放
題目2：
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p; //這裏的p出了作用域已經被銷燬了。這塊空間由可能被別人使用。
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
題目3：
void GetMemory2(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//釋放空間
//free(str);
//str = NULL:
//free函數爲什麼沒有把free置爲空指針？
//沒有，因爲free傳的是地址的內容，沒有傳地址。
}
題目4：
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, “hello”);
free(str); //空間釋放，但是指針沒有指向NULL
//str = NULL;
if(str != NULL)
{
strcpy(str, “world”); //訪問內存空間出錯的問題。
printf(str);
}
}