[C]详解C语言动态内存分配

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。
这时候就只能试试动态存开辟了。

2.malloc和free

malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

malloc可以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。
使用时需要注意：

1.如果开辟成功，则malloc返回一个指向开辟好空间的指针。
2.如果开辟失败，则malloc返回一个NULL指针，因此对其返回值一定要做检查。
3.malloc返回值的类型是 void* ，所以函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
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。

free

在C语言当中,通过动态开辟的内存是需要释放和回收的。我们知道动态内存开辟空间是在堆区上进行的；如果动态开辟的内存不释放，即使你不使用这块空间也不会被系统回收，你不用系统用不了，就会导致内存泄漏。
C语言提供了一个函数free,其原型如下:

free函数用来释放动态开辟的内存。
使用时需要注意：

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。

//一个例子
//malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
#include 
#include 
#include 
#include 

//void *malloc( size_t size );
//size表示需要开辟空间的字节数

//void free (void* ptr);  
//ptr是指向动态内存开辟的空间的指针

int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(40);    
	//开辟40个字节，需要的是int*,所以加上(int*)强转
	if (ptr == NULL)      //如果开辟失败
	{
		//打印错误信息
		printf("%s\n", strerror(errno)); 
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	free(ptr);  //释放ptr所指向的内存
	ptr = NULL; //ptr置为空指针
	return 0;
}

3.calloc

calloc也是C语言提供的一个用来动态内存分配的函数，其原型如下：

注意：

1.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。
2.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：

#include 
#include 

int main()
{
	int* ptr = NULL;
	ptr = calloc(10,sizeof(int)); 
	//开辟10个大小为int的空间，并且空间初始化为0   
	if (ptr == NULL)      //如果开辟失败
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	free(ptr);  //释放ptr所指向的内存
	ptr = NULL; //ptr置为空指针
	return 0;
}

如果对申请的内存空间要求初始化，就可以使用calloc函数。

4.realloc

我们发现以上介绍malloc、calloc，不太灵活；有时我们会发现过去申请的空间过小了，有时我们又会发现过去申请的空间过大了；直接使用malloc、calloc函数就会导致内存中保存的数据丢失。
为了在合理的时候，能对动态开辟的内存大小进行灵活调整。C与语言提供了realloc函数，其函数原型如下：

注意：

1.ptr 是要调整的内存地址
2.size 是调整之后新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置。
4.这个函数在调整原内存空间大小的基础上，还可能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

所以使用realloc函数进行动态内存调整，可能会改变存放数据的地址。

#include 
int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr == NULL)
    {
        return 1;
    }

    //扩展容量
    int* tmp = (int*)realloc(ptr, 1000);
     if (tmp == NULL)
    {
        return 1;
    }
    free(tmp);
    ptr = NULL;
    tmp = NULL;
    return 0;
}

5.常见的动态内存错误

5.1对NULL指针的解引用操作

在进行动态内存开辟的时候，是有可能因为开辟失败而返回NULL空指针；如果不加检查，就可能会出现对NULL指针的解引用操作，进而导致程序崩溃。

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

正确的写法：

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(INT_MAX);
 if(p == NULL)  //判断是否为空指针
 {
    return; //开辟失败直接返回
 }
 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
 free(p);
 p = NULL;
}

5.2对动态开辟空间的越界访问

动态开辟的空间也是有自己的范围，当使用动态开辟的内存时可能发生越界访问，这就非常危险。

//例子
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);
}

错误信息是：

5.3对非动态开辟内存使用free释放

free函数是用来释放动态开辟的内存，当用free来释放非动态开辟内存时程序会崩溃。

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

5.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

当我们开辟一块动态内存时，通常会把这块空间交给一个指针变量来维护；在后续的使用中可能会让指针自增已达到某种目的，而自增是有后遗症的也就是p所指向的位置发生改变，这个时候再对p进行动态内存释放就会导致程序崩溃：

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

5.5对同一块动态内存多次释放

假设p指向一块动态开辟的内存，当我们对这块动态内存完成释放之后，p还是指向那块内存只不过内存已经被系统收回；再次对p进行free就会导致程序崩溃。

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

5.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

1.在一个函数当中动态开辟内存并给一个指针指向这块空间。函数结束后没有返回，指向动态内存的指针销毁，导致无法释放。
2.动态开辟一块空间，使用后忘记释放。

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

6.几个经典笔试题

6.1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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
不会打印"hello world"，存在内存泄漏。

6.2题目2

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
使用了野指针。当GetMemory函数把p的地址返回给str时，p销毁p所指向的空间被系统回收，这时p的地址就是一个野指针。

6.3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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
屏幕上会打印出“hello”,程序中存在内存泄漏。str指向的空间是通过动态开辟的内存，但是没有通过free释放。

6.4题目4

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？
野指针问题，str指向一块动态开辟的内存，随后通过frees释放，这时str没有置为空指针还是指向原来的空间，str就是野指针。

7.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。

8.柔性数组

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[];//柔性数组成员
}type_a;

8.1柔性数组的特点

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
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。

8.2柔性数组的使用

//一个例子
#include 
#include 

typedef struct S
{
	int i;
	int a[]; //柔性数组
}S;

int main()
{
	S* p = (S*)malloc(sizeof(int) + 10 * sizeof(int));
	//这样柔性数组成员a，相当于获得了10个整型元素的连续空间。
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	p->i = 10;
	int j = 0;
	for (j = 0; j < p->i; j++)
	{
		p->a[j] = j;
	}
	for (j = 0; j < p->i; j++)
	{
		printf("%d ", p->a[j]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

执行程序，可以看到：

8.3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。