进阶C语言：动态内存管理
在之前的学习中，我们创建的变量都是在内存里面的栈区，而且大小基本都是固定的，但是关于动态内存开辟是在内存中的堆区，那么本篇就来一起学习一下动态内存管理：
目录
1.为什么存在动态内存开辟
2.动态内存函数的介绍
2.1malloc和free
2.2calloc
2.3realloc
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释放动态开辟内存的一部分
3.5对同一块内存的多次释放
3.6动态开辟内存忘记释放
4.经典例题
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
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开辟
在之前的学习中，我们已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个字节的连续空间上面的两种方式在开辟内存的时候有两个特点：
1.空间开辟的大小是固定的
2.数组在申明的时候，必须指定数组的大小，它所需要的内存在编译时进行分配
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.动态内存函数的介绍
2.1malloc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的指针。
1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
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。5. 开辟成功之后，开辟的空间里面放的是什么，我们不清楚。
C语言提供了另外一个函数free，它是专门用来回收和释放动态内存的：
void free(void* ptr);free函数是用来释放动态内存的
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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
举例：
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//开辟内存
int* pf = (int*)malloc(20); //开辟20个字节的内存
//判断是否开辟成功
if (pf == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
return 1; //如果开辟失败直接结束程序
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
pf[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", pf[i]);
}
//释放
free(pf);
pf = NULL; //释放之后及时的将其置为空指针
return 0;
} 2.2calloc
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：
void* calloc(size_t num, size_t size);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。3. 返回值的类型是 void* ，所以calloc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. 如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此calloc的返回值一定要做检查。
举例：
#include
#include
#include
#include
int main()
{
//开辟空间
int* pf = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (pf == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用空间
//...
//释放空间
free(pf);
pf = NULL;
return 0;
} 
2.3realloc
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，那为了合理的使用内存，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。
void* realloc(void* ptr, size_t size);1. ptr 是要调整的内存地址
2. size 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. 返回值的类型是 void* ，所以realloc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。
6. 如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此realloc的返回值一定要做检查。
举例：
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
int* ptr = (int*)realloc(p, 10*sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
//使用
for (i = 5; i < 10; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1. 原有的空间后面有足够大的空间，就在它的后面紧接着开辟新的空间。
情况2. 原有的空间后面空间不足，那么就会重新找一块新的空间。
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，将旧空间的数据全部拷贝到新空间，然后释放旧的空间，然后返回的是一个新的空间的地址。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
3.常见的动态内存错误
malloc、calloc、realloc函数所申请的空间如果不想使用，需要用free来释放，如果不用free来释放，在程序结束后，也会由操作系统来回收，如果不适用free来释放，程序也不结束，那么内存就会泄露。
3.1对NULL指针的解引用操作
对NULL指针的解引用操作也就是没有对返回值做检查
举例：
#include
#include
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(200000 * sizeof(int));
*ptr = 200; //如果ptr返回的是一个NULL呢？
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
} 3.2对动态开辟空间的越界访问
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 6; i++) //当i为6的时候就产生了越界访问
{
*(ptr + i) = i;
}
for (i = 0; i < 6; i++) //当i为6的时候就产生了越界访问
{
printf("%d ", *(ptr + i));
}
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
} 3.3对非动态开辟内存使用free释放
#include
#include
//对非动态开辟内存进行free释放
int main()
{
char str1[] = { "hehe" };
char* str2 = str1;
//使用
//...
//释放
free(str2);
str2 = NULL;
return 0;
} 3.4使用free释放动态开辟内存的一部分
#include
#include
#include
#include
//释放一部分空间
int main()
{
int* pf = (int*)malloc(20);
if (pf == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//pf开始指向的是这块内存的起始地址
//pf++之后跳过一个整形
pf++;
//释放
free(pf);
pf = NULL;
return 0;
} 3.5对同一块内存的多次释放
#include
#include
#include
#include
//对同一块内存的多次释放
int main()
{
int* pf = (int*)malloc(20);
if (pf == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
free(pf);
pf = NULL;
free(pf); //重复释放
pf = NULL;
return 0;
} 3.6动态开辟内存忘记释放
#include
#include
#include
#include
//忘记释放
void test()
{
int* str = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
//使用
//...
//忘记释放
}
int main()
{
test();
return 0;
} 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 。
总结：常见的动态内存错误
1.对NULL指针的解引用
2.对动态内存开辟的空间的越界访问
3.对非动态开辟内存使用free释放
4.释放动态内存开辟的一部分空间
5.对动态开辟内存的重复释放
6.忘记释放动态开辟的内存
4.经典例题
下列程序在运行起来之后会出现哪些错误？（有的程序可能不止一个错误，请仔细观察）
4.1题目1
#include
#include
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
} 这段代码存在两个问题：
1.str在传给GteMemory函数是，是值传递，虽然str是一个指针变量，但是在传参是传递的是str变量本身，所以p是str的一份临时拷贝，修改p的值不会对str造成影响，在GteMemory函数内部创建一个临时的指针变量p，使用p来存放malloc来开辟一块空间的地址，但是这里的p是临时创建的，在GteMemory函数返回之后p会自动销毁，因此str在这里指向了NULL指针，所以strcpy会调用失败，原因是对NULL的解引用操作，程序会崩溃。
2.在GteMemory函数内部的malloc函数申请的空间没有机会释放，因为p是一个局部变量，出了函数就会自动销毁，所以造成了内存的泄露。
4.2题目2
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Tets();
return 0;
}这是一个典型的栈空间返回地址的问题，p是创建在GetMemory函数内部的一个局部变量的数组，出了GetMemory函数之后这块空间就会被操作系统回收，p保存的是这块数组的起始地址，如果将p返回，虽然将地址带回去了，str也指向的是p这块空间，但是这块空间已经不属于我们当前的这个程序，所以str就是野指针，如果再使用的话就造成了越界访问，并且，当p出了GetMemory这个函数，这块空间已经被操作系统回收，这块空间里面存放的已经不是以前的东西，如果非要访问这块空间，那么访问到的内容也不再是以前的结果。
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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}这段代码其实没有过多的错误，唯一的错误就是没有将malloc函数开辟的空间释放掉，造成了内存的泄露，在给GetMemory函数传参时传递的是str的地址，所以使用二级指针来接受它，所以p存放的是str的地址，然后对p解引用，找到的就是str，然后再给str使用malloc开辟空间，调用strcpy来拷贝字符串，可以达到效果，但是唯一遗憾的是没有释放内存，造成了内存的泄露。
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);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}这段代码的问题就很明显了，给str使用malloc开辟100字节的空间，然后strcpy拷贝，释放str之后，没有将str置为NULL，然后str！=NULL成立，进入了条件语句，这时，就发生了非法访问，因为str指向的这块空间已经被操作系统回收了，已经不属于这个程序了，但是str依旧指向的是这块空间，在下面的拷贝过程中依然是能够拷贝的，所以在释放完str之后需要将str置为NULL指针。
补充：
在上面的四道题中还是存在一点小小的缺点，就是都没有对malloc开辟空间的返回值进行判断，但是这四道题的主要问题不是这个，但最好还是可以判断一下malloc函数的返回值
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。
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
关于柔性数组这个概念你可能听起来很陌生，但是它的确是存在的，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：
struct S
{
char ch;
int num;
int arr[]; //柔性数组成员
//如果写成int arr[0]也是可以的，但是在有点编译器上面是会报错
};6.1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。
例如：
#include
struct S
{
int num;
int arr[]; //柔性数组成员
}s;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(s)); //4 //计算的大小不包括柔性数组的内存
return 0;
} 6.2柔性数组的使用
柔性数组成员的空间是由malloc函数进行开辟的：
举例：
#include
#include
#include
#include
struct S
{
int num;
char ch;
int arr[];
};
int main()
{
//开辟空间
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
// 8字节 + 40字节（为柔性数组开辟的空间）
if (ps == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
ps->num = 10;
ps->ch = 'w';
//访问柔性数组
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
} 6.3柔性数组的优势
因为柔性数组的大小是malloc开辟的，如果空间不适合，可以使用realloc来调整大小，但是如果不是柔性数组，就不能改变它的大小，所以柔性数组可以灵活的变化，根据需要的空间来开辟相应的大小。
举例：
方案一：柔性数组
#include
#include
#include
#include
struct S
{
int num;
char ch;
int arr[];
};
int main()
{
//开辟空间
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
// 8字节 + 40字节（为柔性数组开辟的空间）
if (ps == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
ps->num = 10;
ps->ch = 'w';
//访问柔性数组
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//调整大小
struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
//调整柔性数组的大小 80字节（柔性数组大小）
if (ptr == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
else
{
ps = ptr;
//使用
//....
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
} 方案二：结构体指针
#include
#include
#include
#include
struct S
{
int num;
char ch;
int* arr;
};
int main()
{
//开辟空间
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
if (ptr == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
else
{
ps->arr = ptr;
}
//使用
ps->num = 10;
ps->ch = 'w';
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//扩容
ptr = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
else
{
ps->arr = ptr;
}
//使用
//...
//释放
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
//先释放arr指向的空间
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
} 对比：
这两种方案都可以实现一个柔性的作用，但是二者还是有差异的：
1.柔性数组：
malloc函数开辟一次，free函数释放一次，空间相对的比较容易维护，不容易出错，并且malloc函数的使用次数少，在内存堆区里面的内存碎片就比较少，对内存的利用率就比较高一些。
2.结构体指针：
malloc函数开辟了两次，free函数释放两次，对内存空间的维护难度就会加大，出错的概率就会提升，再加上malloc函数使用的次数比较多，在内存堆区里面的内存碎片就会比较多，对内存的利用率就比较低一些。
关于动态内存有关的知识点就介绍到这里，如果大家喜欢就留下你的三连，感谢感谢！