1. 复习 与 铺垫(动态内存管理基本知识)

我们这篇博客还是属于一个进阶内容的, 因此说不会去详细说一些C中的基本知识, 这里整合了一下C中的动态内存管理的基本知识简单过一下.

1.1 什么是动态内存管理(基本代码)?

主要用到的函数malloc, realloc, calloc和free下面是一个基本的代码示例:

1.2 为什么要有动态内存管理?

相比于Python/Java, 我们的C/CPP怎么就有动态内存管理呢? 有啥意义啊?
我们的Python/Java都有内存回收机制, 说白了就是内存管理程序员不用管, Python/Java的机制就做好了, 但是我们的C/CPP是没有的. 稍后我们再谈论这个有没有好不好的问题.

言归正传, 那C/CPP这个动态内存管理有啥意义?

• 意义1: 支持更大的内存申请.
  在技术方面，普通的空间申请，都是在全局或者栈区，全局一般不太建议大量使用，而栈空间有限，那么如果一个应用需要大量的内存空间的时候，需要通过申请堆空间来支持基本业务。
  比如说, 我想申请1亿个字节的栈空间, 程序直接挂给你看:
  
  但是我们的堆空间申请就可以做得到:
  

• 意义2: 更灵活的使用空间
  在应用方面，程序员很难一次预估好自己总共需要花费多大的空间。想想之前我们定义的所有数组，因为其语法约束，我们必须得明确"指出"空间大小.但是如果用动态内存申请（malloc），因为malloc是函数，而函数就可以传参，也就意味着，我们可以通过具体的情况，对需要的内存大小进行动态计算，进而在传参申请，提供了很大的灵活性.
  那我们这里举个例子, 现在刚开始需要10个int空间存储数据, 可以运行到一半我又想存储20个int值, 这该怎么办?
  

拓展: 如何辩证的看动态内存给程序员带来的灵活性?
答: 首先认识到各种语言各有各的优势.
Python和Java直接是语言提供内存空间管理, 不需要程序员控制, 带来的好处是程序员更省心, 但是也失去了对空间控制的一个自由度
而C/CPP就把部分内存管理工作下放给程序员, 好处是程序员有更大的灵活度去控制程序, 效率更高, 坏处是对程序员的要求也更高~
我们可以概括为:

语言	优点	缺点
Python/Java	减少了程序员负担, 简化了语言	没有对内存空间控制的灵活性
C/CPP	语言的灵活性很高	要求程序员对内存空间较高的把握程度

1.3 什么是野指针?

野指针是指向 “垃圾” 内存的指针。具体来说，野指针就是指针变量指向的内存单元是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的）。

比如，当一个指针所指向的对象被释放或者其指向的内存已经被回收，而指针没有被置为NULL，这个指针就变成了野指针。另外，如果指针在
定义时没有被初始化，它的值是随机的，这样的指针也是野指针。

2. C程序地址空间分布

现在, 下面是一张C程序地址空间的分布图:

那我们需要验证一下这张图的真伪:

2.1 两者的空间是如上图所示的吗? 我们验证一下. 环境: Linux, Centos, gcc

我们写下面代码来进行检验一下:


我们看结果, 地址果然是逐渐增大的~ 符合我们的预期.

2.2 验证: 栈和堆相对而生, 栈向下生长. 堆向上生长?

我们为了验证这个问题呢, 我们下面来继续写一个代码:

然后结果是:

所以说, 堆区和栈区的一个地址的变化是相对而生的~

细节: 堆区中, 为啥我申请了1个字节, 中间却隔了16个字节?
答: 这是因为操作系统不仅仅给了你申请的一个字节的空间, 而且还额外给了一些空间来存储这段堆空间的属性信息.

老师提示: 不同的平台可能有不同的结果, 因为Windows的VS环境下可能会处理一些数据, 因此结果可能会与Linux结果不一致~

2.3 问: 为什么局部变量加上-static修饰之后, 该变量的生命周期会延长?

答: 这个问题本质上是因为编译器在编写代码的时候, static + 局部变量申请的空间是全局数据区, 所以说他的生命周期才会变长. 但是, 为啥他的作用域没有变长呢? 可以理解为编译器进行了限制而已~

下面进行测试:

所以你发现了什么? 所谓的static + 局部变量, 实际上编译器直接把这个变量在全局数据区开辟了空间~

2.4 问: 为什么栈变量具有临时性? 而全局变量在整个程序运行期间一直存在?

答: 因为我们的栈变量是存放在栈帧中的, 也就是在栈空间中, 这个栈空间是随着程序运行而进行空间管理的. 而我们的全局变量是程序在运行起来,
申请空间之后就一直存在的. 直到程序销毁他才会销毁. 可能又会有人疑问, 那这个局部变量和全局变量的适用范围怎么理解? 是从语法层面上限制的.
一个变量是编译器决定让不让你访问的, 实际上, 只要编译器愿意, 它也可以做到即使是全局变量也只能让你在一定范围进行访问. 全局变量是在编译好刚
开始运行的时候就已经存在了~

说白了, 这个问题都可以用上面C语言程序地址空间的知识来进行解释~

3. 常见的内存错误

3.1 指针没有指向一块合法的内存

错误案例1:

解释: 很多初学者犯了这个错误还不知道是怎么回事。这里定义了结构体变量 stu，但是他没想到这个结构体内部 char *name 这成员在定义结构体变量 stu 时，只是给 name 这个指针变量本身分配了 4 个字节。name 指针并没有指向一个合法的地址，这时候其内部存的只是一些乱码。所以在调用 strcpy 函数时，会将字符串"Jimy"往乱码所指的内存上拷贝，而这块内存 name 指针根本就无权访问，导致出错。解决的办法是为 name 指针 malloc 一块空间。

我想让他不崩溃怎么办呢? 给他申请好空间~

指针的合法性判定
在这个地方, 老师还提了一种指针合法性判定的东西. 下面来介绍一下.
为了规范, 我们规定在C中指针需要初始化, 没有初始化的指针则初始化为空.
我们建议程序员在使用指针之前, 先检查一下这个指针是否为空. 这样做可以规避一些野指针问题.

但是实际上, 这样写虽然可以避免一些野指针问题, 也不是所有野指针都能避免的, 这个指针不合法我们称之为野指针, 但是不合法的形式有很多, 比如权限不够, 或者根本指向错误, 这些在我们用户层是无法去判断和区分的, 这个活由操作系统来做, 如果指针是野指针且进行访问, 操作系统执行到这里的时候会自动挂掉程序. 我们前面这个判空操作主要是减少一些野指针的发生.

错误案例2:

错因: 错误原因还是在于name没有指向的空间
为指针变量 pstu 分配了内存，但是同样没有给 name 指针分配内存。错误与上面第一种情况一样，解决的办法也一样。这里用了一个 malloc 给人一种错觉，以为也给 name 指针分配了内存。

错误案例3:

为 pstu 分配内存的时候，分配的内存大小不合适。这里把 sizeof(struct student)误写为sizeof(struct student*)。当然 name 指针同样没有被分配内存。解决办法同上。

3.2 为指针分配的内存太小

常见的内存错误也还有内存过小的一种情况~

3.3 内存分配成功，但并未初始化

问: 对于程序, 是否应该初始化呢?
答: 这个地方是否初始化都可以, 但个人建议要结合具体情况初始化.
如果选择初始化, 可能会规避许多不确定问题, 使得代码更加明确, 但是也会带来初始化的一些额外消耗如果没有初始化, 可能会出现例如随机值的一些不确定性因素, 不过反而节省了一些消耗.

3.4 内存越界

注: 通过指针越界访问, 编译器可能会不报错
这个会不会报错取决于这段内存的上下文情况, 如果你越界的空间不大, 这块空间仍然是你申请的, 并且你自己还有权限访问的话, 实际上操作系统是不拦着你的~

编译器对于内存越界访问不一定会报错~

所以, 我们要尤其注意这种越界访问的行为~

3.5 内存泄漏

问: 内存泄漏是啥?
答: 只申请不还堆空间, 导致堆空间满, 最终导致进程挂掉(崩溃)~

内存泄漏几乎是很难避免的，不管是老手还是新手，都存在这个问题。甚至包括windows，Linux 这类软件，都或多或少有内存泄漏。也许对于一般的应用软件来说，这个问题似乎不是那么突出，重启一下也不会造成太大损失。但是如果你开发的是嵌入式系统软件呢？比如汽车制动系统，心脏起搏器等对安全要求非常高的系统。你总不能让心脏起搏器重启吧，人家阎王老爷是非常好客的. 会产生泄漏的内存就是堆上的内存（这里不讨论资源或句柄等泄漏情况），也就是说由malloc 系列函数或 new 操作符分配的内存。如果用完之后没有及时 free 或 delete，这块内存就无法释放，直到整个程序终止。

问: 如果程序退出了, 还有内存泄漏问题吗?
答: 程序退出自然就不存在内存泄露问题了, 一般服务器, 操作系统这类常驻进程最怕内存泄露.

问: free的细节: 我们只传入了要释放空间的首地址, free如何确定释放多少空间呢?
答:
  首先我们得明白, malloc申请的空间会比我们要求的空间大小要大, 多的那部分空间存储的是这块空间的相关信息.
  在多出来的这块空间呢, 就有个记录这块空间大小的一个数据, 到时候free的时候free就可以读取这个数据free相关数据即可
  在多出来的这块保存信息的空间, 一般我们叫做内存级的cookie. 这个cookie在相同环境下是固定大小的, 格式也是固定的,
  所以一般申请大空间的空间利用率更高. 不过, 申请小空间不太划算, 栈刚好比较适合小空间的开辟~

问: 堆空间free之后, 对应的指针会自动变成null吗?
答:
  是不会的~ 这就要求我们需要注意把指向堆空间的变量指向改向null(编程规范).

那, 为什么编译器不做这个工作呢? 所谓的"释放"是什么含义?
答: 首先回答一下这个"释放"的本质是取消指针变量与堆空间的一个关系. 在"取消关系"之后, 指针变量存放的内容是不具备实际意义的, 而堆空间存放的什么内容也与指针变量没有什么关系了~
  请注意, 这里的"关系"也是计算机拿数据去维护的, 所以说free释放的是这些表明关系的数据. 而不是改变指针变量的内容, 因此说编译当然在释放空间之后把对应的指针变量置为空, 但是处于严谨考虑, 还是没有擅作主张.

4. C中的内存管理体现在哪里?

答: C语言把内存管理的一小部分工作交给了程序员, 尤其是堆空间这块~

//在今天的学习中，我们有效学到的函数是malloc和free，能够进行有效的空间申请和释放了
//那么，通常书中所说的内存“管理”体现在哪里呢？难道就是malloc和free？
//其实个人认为，目前几乎所有的书这部分想表达的含义，其实是想表达两个含义
//内存管理的本质其实是：空间什么时候申请，申请多少，什么时候释放，释放多少的问题。
//1. 场景：C的内存管理工作是由程序员决定的，而程序员什么时候申请，申请多少，什么时候释放，释放多少都是有场景决
定的(比如上面的链表操作)，而大部分书中，是讲具体操作，很少有场景，所以管理工作体现的并不直观。不过我们现在能理
解即可。
//2. 其他高级语言：像java这样的高级语言，语言本身自带了内存管理，所以程序员只管使用即可。换句话说，内存管理工
作，程序员是不用关心的。但是C是较为底层的语言，它的内存管理工作是暴露给程序员的，从而给程序员提供了更多的灵活
性，不过，管理工作也同时交给了程序员。
//所以，因为上面的两点，C中内存章节，基本都叫做内存管理
//在C中，程序员+场景=内存管理

5. C内存管理的实例

为了深刻体会C内存管理, 我们下面写一个实际的例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <malloc.h>
#include <windows.h>
#define N 10 
typedef struct _Node{
int data;
struct _Node *next;
}node_t;
static node_t *AllocNode(int x)
{
node_t *n = (node_t*)malloc(sizeof(node_t));
if (NULL == n){
exit(EXIT_FAILURE);
}
n->data = x;
n->next = NULL;
return n;
}
void InsertList(node_t *head, int x)
{
node_t *end = head;
while (end->next){
end = end->next;
}
node_t *n = AllocNode(x);
end->next = n;
}
void ShowList(node_t *head)
{
node_t *p = head->next;
while (p){
printf("%d ", p->data);
p = p->next;
}
printf("\n");
}
void DeleteList(node_t *head)
{
node_t *n = head->next;
if (n != NULL){
head->next = n->next;
free(n);
}
}
int main()
{
node_t *head = AllocNode(0); //方便操作，使用带头结点的单链表
printf("插入演示...\n");
for (int i = 1; i <= N; i++){
InsertList(head, i); //插入一个节点，尾插方案
ShowList(head); //显示整张链表
Sleep(1000);
}
printf("删除演示...\n");
for (int i = 1; i <= N; i++){
DeleteList(head); //删除一个节点，头删方案
ShowList(head); //显示整张链表
Sleep(1000);
}
free(head); //释放头结点
head = NULL;
system("pause");
return 0;
}

结果如下:

6. 总结

我们现在来简单总结一下吧.
  首先, 相比于Java/Python, C有动态内存管理机制, 这不是说Java/Python没有动态内存, 而是说C中有动态内存管理, 这个工作是由程序员来完成的, 而Java/Python没有动态内存管理, 因为语言本身自带内存管理机制, 不需要程序员操心.
  其次, 这样做有好有坏, 这样做让C更加灵活, 但也带来了语言比较复杂的问题. Python/Java虽然没有动态内存管理, 但也语言更加简洁, 缺点是内存管理的灵活度更差, 也就导致执行效率一般.
  之后, 我们重点说了一下C程序地址空间的分布. 以及相关理解. 还总结了一些常见的内存错误.
  最后, 我们以内存管理体现在哪里和一个内存管理实例结束本文, 相信理论 + 实践更加易懂一些, 可读性更好~

好的, 今天我们就简单的说了一下C中的动态内存管理这块~ 本次分享结束.

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EOF.