C语言进阶：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
6.1 柔性数组的特点及使用：
6.2 柔性数组的优势
1. 为什么存在动态内存分配
首先先看内存的划分：
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int main()
{
//已经掌握的内存开辟方式:
int a = 10; //在栈空间上开辟四个字节
char c = 'w';
char arr[200] = { 0 };//在栈空间上开辟200个字节的连续空间
int arr2[5] = { 0 };
return 0;
}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。 这时候就只能试试动态内存开辟了。
2. 动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
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起始地址的指针。其中size表示开辟多少个字节。需要头文件
① 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间起始地址的指针。
② 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。
③ 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。
④ 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，函数原型如下：
void free (void* ptr);free函数用来释放动态开辟的内存，需要头文件
① 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。
② 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
int main()
{
//动态内存开辟
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)//判断的步骤很重要
//如果返回值是一个空指针说明开辟空间失败了
{
perror("malloc"); //如果开辟空间的字节数大于int的最大值 则会显示: malloc: Not enough space
}
else
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 25; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0;i < 25; i++)
{
printf("%d ", *(p + i) = i);
}
//回收 - 释放 内存
free(p);
p = NULL;
//释放空间后，p的地址是没变的，所以需要让他变成空指针,防止非法访问
}
return 0;
}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。
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间起始地址的指针，如果开辟失败，则返回一个NULL指针，所以也需要对返回值做检查。
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。
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 0;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i)); //0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
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);① ptr 是要调整的内存地址
② size 是调整之后新大小 (字节)
③ 返回值为调整之后的内存起始位置。
④ 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。
⑤ 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。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：原有空间之后没有足够大的空间。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。
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 0;
}
//使用malloc开辟的空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
//调整该空间的大小
int *ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
}
else
{
p = ptr; //让p指向该空间的起始地址
ptr == NULL;
}
//能否直接用p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//不建议这样，当内存开辟失败时，p直接变成了空指针，原来的空间都找不到了
for (i = 10; i < 20; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放空间
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
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
//如果此时内存开辟失败 则p为空指针*p则是对空指针的解引用操作
*p = 0;
return 0;
}3.2 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
return 0;
}
int i = 0;
//对动态开辟内存的越界访问
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
p[i] = i;
}
for (i = 0; i <= 10; i++) //把开辟的10个int类型的空间访问完了以后，又向后访问了一个int类型的空间(越界访问)
{
printf("%d ", p[i]);
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}上述代码运行时会报错：
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
//对非动态内存开辟的释放
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);// err
return 0;
}3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//释放动态开辟内存空间的一部分 -err
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 0;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = 1;
p++;
}
//此时p已经不再指向开辟空间的起始位置，而是指向开辟的第六个整型空间
free(p); //err
p == NULL;
return 0;
}3.5 对同一块动态内存多次释放
//对同一块动态开辟的内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
//...
free(p);//重复释放 err
//但如果每一次free后，都把p置为空指针，则至少不会报错(free(NULL)什么都不会发生)
return 0;
}3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏
void test()
{
int* p = (int*)malloc(12);
if (p == NULL)
return;
if (1)
return;
//当p为空指针或if条件成立时，test函数就已经结束了，空间并没有得到释放
free(p);
}
int main()
{
test();
return 0;
}所以我们要求：malloc、calloc、realloc与free应该成对出现。(这样也并不能完全避免内存泄露，如上述代码)
4. 几个经典的笔试题
4.1 题目1：
//下述代码输出什么结果？
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
//问题2 : 缺乏free
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
//问题1 : 当实参传给形参时,形参实际上是实参的一份临时拷贝，对p的赋值并不会影响str
strcpy(str, "hello world");
printf(str); //什么也不会打印
}
int main()
{
Test();
return 0;
}正确的写法：
//正确的代码1:
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
//正确的代码2:
char* GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}4.2 题目2：
//下面代码输出什么结果
char* GetMemory(void)
{
//经典问题 - 返回栈空间地址的问题
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
//数组p是一个局部数组，进入该该函数时创建，出函数时，就销毁了
//此时用str记住地址是没有意义的，是一个野指针
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}4.3 题目3：
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
//代码唯一的问题是内存泄露的问题
//改正则需把str释放即可
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//修改:
//free(str);
//str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}4.4 题目4：
//下面代码有什么问题，输出结果是多少？
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
//free是把申请的空间还给操作系统，而不会把str置空
//str仍指向之前的地址
//释放后再使用，本身就是非法访问，程序可以正常执行也不能说明这是一个正确的代码
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "wolrd");
printf(str); //world
}
}
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。
有了这些知识，我们就可以更好的理解在《C语言笔记》中的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，所以生命周期变长。
6. 柔性数组
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;6.1 柔性数组的特点及使用：
① 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
② sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
③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。
//代码1
struct S
{
int num;
char arr[]; //该数组则为柔型数组
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct S)); //4
//计算大小时，不用考虑柔型数组的大小
/*struct S s; //不能这样创建，因为这样创建，该结构的大小就是4 */
struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 6);
//"柔型"体现在: 如果觉得arr空间小了，那么用realloc对该结构进行调整，arr的大小相应会发生变化
p->num = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 6; i++)
{
p->arr[i] = 'a' + i;
}
for (i = 0; i < 6; i++)
{
printf("%c\n", p->arr[i]); //a b c d e f
}
//如果觉得arr空间不够了，用realloc调整
struct S* ptr = (struct S*)realloc(p, 14);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
//开辟成功，开始使用
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p->arr[i] = 'x';
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%c\n", p->arr[i]);
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}6.2 柔性数组的优势
上述代码也可以设计为：
//代码2
struct S2
{
int num;
char* arr;
};
int main()
{
struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2));
ps->num = 100;
ps->arr = (char*)malloc(6 * sizeof(char));
int i = 0;
for (i = 0; i < 6; i++)
{
ps->arr[i] = 'a' + i;
}
for (i = 0; i < 6; i++)
{
printf("%c ", ps->arr[i]);
}
//增容
char* ptr = realloc(ps->arr, 10);
if (ptr != NULL)
{
ps->arr = ptr;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = 'x';
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%c ", ps->arr[i]);
}
//回收时，先回收arr再回收ps
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 代码1 的实现有两个好处：
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，我们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。