动态内存管理：malloc calloc realloc free和一些常见的动态内存错误

前言：

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：

• 空间开辟大小是固定的。
• 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。 这时候就只能试试动态存开辟了。

1、malloc和free（开辟内存、释放内存）

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

1.1malloc

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！
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来决定。

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。

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，函数原型如下：

void free (void* ptr);

1.2free

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。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
  来看看例子：

#include 
int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 //代码2
 int* ptr = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
 {
 int i = 0;
 for(i=0; i<num; i++)
 {
 *(ptr+i) = 0；
 }
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
 ptr = NULL;//有必要？
 return 0;
}

代码1，会报错，要求[ ]内必须是一个常量。
代码2，注意以下几点：

• 程序员申请内存不一定会成功，所以要用指针判断内存开辟是否成功。
• 使用完内存后，程序员一定要记得释放内存，否则会导致内存泄漏，引发一些问题（比如安全）
• 在程序运行期间，程序地址空间一直存在，程序退出后，内存泄露问题消失
  - free前后，指针指向开辟内存的地址是不变的，改变的是该指针与内存块之间的关系。

2、calloc（开辟内存并置0）

2.1calloc

• 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。
  例子：

#include 
#include 
int main()
{
 int *p = calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
}
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

malloc和calloc有各自的使用背景，在合适的条件下使用相对合适的函数。
不要求初始化用malloc、要求初始化为0时用calloc。

3、realloc（调整内存）

3.1 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 调整之后新大小

• 返回值为调整之后的内存起始位置。

• 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，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
  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。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函数的使用就要注意一些。
  举个例子：

	#include 
int main()
{
 int *ptr = malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }
 //扩展容量
 //代码1
 ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)

 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

4、常见的动态内存错误

4.1没有判断malloc返回值，无法确定开辟是否成功。

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);
}

4.2对开辟的内存空间越界访问

void test()
{
 int i = 0;
 int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
 if(NULL == p)
 {
 exit(EXIT_FAILURE);
 }
 for(i=0; i<=10; i++)
 {
 *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
 }
 free(p);
}

4.3对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
}

4.4记住！整体开辟！整体释放！不可以释放一部分！

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

4.5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
}

4.6开辟后没有释放，导致内存泄漏

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

5、柔性数组

5.1柔性数组的概念

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。 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;

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;

5.2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。

例如：

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

5.3柔性数组的使用

如何定义一个变长的结构体？
直接看例子1:

//代码1
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->a[i] = i;
}
free(p);

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

再来看例子2：

//代码2
typedef struct st_type
{
 int i;
 int *p_a;
}type_a;
type_a *p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

5.3.1不同使用方法的区别

代码1：它是直接在动态内存中开辟一块存放整个结构体的空间，用完整体释放。

代码2：它是把给结构体中分别开辟了两个内存块，一个用来放的数据i，一个用来放置柔性数组的数据。

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：
第一个好处是：方便内存释放

代码2：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。
代码1：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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了
要用做偏移量的加法来寻址）

经典笔试题

我会放上链接，不然文章太长。
https://blog.csdn.net/Zhou000815/article/details/110493077
这都是自己的学习过程和个人理解，如有错误，欢迎指正。