（C语言）动态内存管理

目录

• 1. 为什么存在动态内存分配
• 2. 动态内存函数的介绍
• • 2.1 malloc和free
  • 2.2 calloc
  • 2.3 realloc
• 3. 常见的动态内存错误
• • 3.1 对NULL指针的解引用操作
  • 3.2 对动态开辟空间的越界访问
  • 3.3 对非动态开辟的内存使用free释放
  • 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
  • 3.5 对同一块动态内存多次释放
  • 3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
• 4. 几个经典的笔试题
• • 4.1 题目1：
  • 4.2 题目2：
  • 4.3 题目3：
  • 4.4 题目4：
• 5. C/C++程序的内存开辟
• 6. 柔性数组（flexible array）
• • 6.1 柔性数组的特点：
  • 6.2 柔性数组的使用
  • 6.3 柔性数组的优势

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：

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

但是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. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。 但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道， 那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

这时候就要用到动态存开辟了。

2. 动态内存函数的介绍 2.1 malloc和free

首先malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
C语言提供的动态内存开辟的函数malloc函数参数和返回值如下：

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。
  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.
• size是你要申请的字节的个数
• 返回值的类型是 void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己进行强制类型转换为自己所需要的指针类型
• 如果参数 size为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数参数和返回值如下：

void free (void* ptr);

• free函数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函数的行为是未定义的。
  像下面这样vs的编译器就会报错。

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//error
	p = NULL;
	return 0;
}

上面p变量就不是动态开辟的，所以不能用动态开辟的方式释放。

• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

举个使用这两个函数的例子：

#include
#include
#include
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	//动态内存开辟
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)//判断ptr指针是否为空，为空就说明空间没有开辟成功
	{
		printf("%sn", strerror(errno));//C语言的错误信息
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

free(p);
p = NULL;

没有free，并不是说内存空间就不回收了。当程序退出的时候，系统会自动回收内存空间的
对于free函数此时只是把p所指向的空间的内容删除了，但此时指针变量p内部存的地址还是存在的，为了防止出现野指针（野指针概念：访问一个已销毁或者访问受限的内存区域的指针）的情况，还要把p赋值上一个空指针。

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：

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，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。

举个例子：

int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//开辟10个整型的空间
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

所以如果我们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。

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的时候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
函数原型如下：

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

• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新的大小（单位是字节）
• 返回值void*为调整之后的内存起始位置。
• realloc一旦扩容成功，void*ptr会自动被释放
• 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在调整内存空间的是存在两种情况：
  情况1：原有空间之后有足够大的空间
  情况2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1
当是情况1 的时候，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生化。
情况2
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，再把原来赋好的值再原模原样复制上去，这样函数返回的是一个新的内存地址。

举个使用这个函数的例子：

int main()
{
	int*p = (int*)malloc(40);//开辟40个字节的空间
	if (NULL == p)
	{
		printf("%sn", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//扩容
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//原来地址（p指针）会改变
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	//使用
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误 3.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
 
 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
 free(p);
}

在使用之前，要检查malloc函数是否成功开辟空间

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	
	*p = 20;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include
#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%sn", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//方式
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}

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

现在只有10个空间，不能再往后访问第11个。

3.3 对非动态开辟的内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;//不是动态开辟的内存
 free(p);//free要释放动态开辟的内存，这里会报错
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

p不能动，p必须指向开辟时的起始位置。释放一块动态开辟内存的一部分，编译器会报错

3.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 //...
 free(p);//重复释放
}

解决方法如下：
要么释放完马上就给p赋值一个空指针，编译器虽不会报错，但不推荐
最好就不要给指针p释放两次空间。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//....
	free(p);
	p = NULL;
	//...
	free(p);

	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 if(NULL != p)
 {
 *p = 20;
 }
}
int main()
{
 test();
 while(1);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

4. 几个经典的笔试题 4.1 题目1：

void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

上面的例子函数GetMemory(str)中的str，传的是str的值，传值调用时形参只是实参的一份临时拷贝，改变形参不影响实参，所以上面的void GetMemory(char *p)函数中的p表面上想要改变str的值，但是它只是传值调用，p变量做任何改变也不能改变实参str的值，所以str还是上一步刚赋的NULL，往一个空地址拷贝一个字符串是不行的。

可以改成下面的样子，传址调用才能改变指针变量str的值

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	//str存放的就是动态开辟的100字节的地址
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

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

4.2 题目2：

char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

根本原因是数组p是一个局部变量，出了作用域就被销毁（就把那一片内存空间还给操作系统了）那么str所指向的空间谁都不知道是什么，str就成为了野指针，以后我们如何识别呢？就只需记住返回栈空间的地址一定会造成野指针，杜绝写这样的代码。

4.3 题目3：

void GetMemory(char **p, int num)
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

这里程序是可以打印hello的，但是这里有一个问题，那就是动态开辟内存忘记释放造成（内存泄漏），正确的写法是下面这样的。我str是动态内存开辟的，那下面不用了，就要用动态内存开辟的方式free释放。

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

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

4.4 题目4：

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

对于free函数此时只是把p所指向的空间的内容删除了，但此时指针变量p内部存的地址还是存在的，为了防止出现野指针（野指针就是指针指向的位置是不可知的（随机的、不正确的、没有明确限制的））的情况，还要把p赋值上一个空指针。
改进：

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;
}

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

5. 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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解static关键字修饰局部变量的例子了。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更长。

6. 柔性数组（flexible array）

C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。
例如：

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

上面的int a[0]相当于没有明确说明数组元素有多少个，但是功能和下面的代码一样，如果有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

6.1 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。

//code1
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%dn", sizeof(type_a));//输出的是4

6.2 柔性数组的使用

#include
#include
#include

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));//为了让两个成员都存储在堆区
	if (ps == NULL)
	{
		return 1;
	}
	ps->n = 100;
	ps->arr = (int*)malloc(40);//给数组成员开辟空间（开辟10个数组元素）
	if (ps->arr == NULL)
	{
		//....
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	//扩容
	int*ptr = (int*)realloc(ps->arr, 80);
	if (ptr == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;//补充：如果扩容成功，这里要将ptr的值赋值给ps->arr，空间依然由ps->arr维护
	}
	//使用
	
	//释放
	free(ps->arr);
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

• 第一个好处是：方便内存释放
  如果我们的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，如果我们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。
• 第二个好处是：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。