C/C++ 动态内存分配与它的指针变量

一、什么是内存的动态分配

全局变量分配在内存中的静态存储区。局部变量（包括形参）分配在内存中的动态存储区，这个存储区是一个称为栈的区域。除此之外，C语言还允许建立内存动态分配区域，以存放一些临时用的数据，这些数据不必在程序的声明部分定义，也不必等到函数结束时才释放，而是需要时随时开辟，不需要时随时释放。这些数据是存放在一个特别的自由存储区，称为堆区。可以根据需要向系统申请所需大小的空间。由于未在声明部分定义它们为变量或数组，因此不能通过变量名或数组名去引用这些数据，只能通过指针来引用。
也就是说，全局变量分配于静态存储区，局部变量分配于栈，动态内存分配在堆。

二、怎样建立内存的动态分配

对于内存的动态分配是通过系统提供的库函数来实现的，主要有malloc，calloc，realloc，free这四个函数。

1.用malloc函数开辟动态内存

malloc的函数原型为：

void *malloc(unsigned int size);

malloc函数的作用是：
在内存的动态存储区中分配一个长度为size的连续空间。形参size的类型定为无符号整型（不允许为负数）。此函数的值（即“返回值”）是所分配区域的第一个字节的首地址，或者说，此函数是一个指针型函数，返回的指针指向该分配域的第一个字节。如：

malloc(100);
//开辟100字节的临时分配域，函数值为其第一个字节的地址。

注意指针的基类型为void，即不指向任何类型的数据，只提供一个地址。如果此函数未能成功执行（例如内存空间不足），则返回空指针（NULL），失败只有一种情况，就是申请的内容太大，超出堆能提供的最大连续空间。

2.用calloc函数开辟动态内存

calloc的函数原型为：

void*calloc(unsigned n,unsigned size);

calloc的函数的作用是：
在内存的动态存储区中分配n个长度为size的连续空间，这个空间一般比较大，足以保存一个数组。
用calloc函数可以为一维数组开辟动态内存存储空间，n为数组元素个数，每个元素长度为size。这就是动态数组。函数的指针指向所分配域的第一个字节，此函数的值（即“返回值”）是所分配区域的第一个字节的首地址；如果不成功，返回空指针（NULL）。如：

p=calloc(50,4);
//开辟50个长度为4个字节的临时分配域，把首地址赋给指针变量p

calloc和malloc最大的区别为：申请完空间之后calloc会将每个元素的值直接置为0。

3.用realloc函数重新分配动态内存

realloc函数的原型：

void *realloc(void*p,unsigned int size);

参数的意义：p:旧内存的地址；size:新申请的内存大小，以字节为单位
realloc函数的作用是：
如果已经通过malloc函数或calloc函数获得了动态内存空间，想改变其大小，可以用realloc函数重新分配。用realloc函数将p所指向的动态内存空间的大小改变为size。p的值不变。函数值成功返回时返回新的动态内存的首地址，如果重分配不成功，返回空指针（NULL）。失败只有一种情况就是申请的内容太大，超出堆能提供的最大连续空间。如：

realloc(p,50);
//将p指向的动态内存空间的大小改变为50字节

用malloc实现realloc扩容：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int n = 10;
	int *p=(int*)malloc(n * sizeof(int));
	assert(p != NULL);
	int i;
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	printf("\n");
	//1发现p申请的太少，于是重新申请
	int*q=(int *)malloc(2* n * sizeof(int));//1申请新内存
	//2搬家
	for (i = 0; i < 2*n; i++)
	{
		q[i] =i;
	}
	for (i = 0; i < 2*n; i++)
	{
		printf("%d ", q[i]);
	}
	free(p);//3释放p的内存
	p = q;//4接收新内存
	q = NULL;
	//...后面可以继续使用p
	return 0;	
}

realloc实现扩容：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int n = 10;
	int* p = (int*)malloc(n * sizeof(int));
	assert(p != NULL);
	int i;
	for (i = 0; i < n; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
		for (i = 0; i < n; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	printf("\n");
	//1发现p申请的太少，于是重新申请
	p = (int*)realloc(p, 2 * n * sizeof(int));
	for (i = 0; i < 2 * n; i++)
	{
		p[i] = i;
	}//2搬家
	for (i = 0; i < 2 * n; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//...后面可以继续使用p
	free(p);
	return 0;
}

4.用free函数释放动态存储区

free函数的原型：

void free（viod*p）;

free函数的作用是：
释放指针变量p所指向的动态内存空间，使这部分空间能重新被其他变量使用。p应是最近一次调用calloc或malloc函数时得到的函数返回值。free函数无返回值。如：

free(p);
//释放指针变量p所指向的已分配的动态内存空间

free崩溃的原因：
1.p移动了（p++），因为申请p的时候有一个n的大小，如果p移动，找不到头信息
2.找不到尾信息
3.重复释放了一段内存

以上4个函数malloc，calloc，realloc，free的声明都在stdlib.h的头文件中，在用到这些函数时应该用#include指令把stdlib.h头文件包含在程序文件中。

三、void指针类型

C99允许使用基类型为void的指针类型。可以定义一个基类型为void的指针变量（即void*型变量），它不指向任何类型的数据。
注意：不要把“指向void类型”理解为能指向“任何类型”的数据，而应理解为“指向空类型”或“不指向确定的类型”的数据。在将它的值赋给另一指针变量时由系统对它进行类型转换，使之适合于被赋值的变量的类型。
例如：

int main()
{
	int a = 3;   //定义a为整型变量
	int* p1 = &a;//p1指向int型变量
	char* p2;//p2指向char型变量
	void* p3;//p3为无类型指针变量（基类型为void型）
    p3 = (void*)p1;//将p1的值转换为void*类型，然后赋值给p3
	p2 = (char*)p3;//将p3的值转换为char*类型，然后赋值给p2
	printf("%d", *p1);//合法，输出整型变量a的值
	void* p3 = &a; printf("%d", *p3);//错误，p3是无指向的，不能指向a
}

说明：
地址信息应该包含位置信息和基类型的信息。 一定要注意基类型的信息，即存放存放在以此地址标志的存储单元中的数据类型，否则无法实现对数据的存取。所以对于void*类型的指针，这种指针无指向，在这种无指向的地址所标志的存储单元中是不可以存储任何数据的，也就是说无法通过这种地址对内存存取数据。
什么情况下会用到void*类型的指针：
在调用动态存储分配函数（如malloc、calloc、realloc函数）时会用到void*类型的指针。用户用这些函数开辟动态存储区时，希望获得此动态存储区的起始地址，以便利用该动态存储区。
C99规定malloc、calloc、realloc函数返回void*指针，使其“无指向”，这种指针称为“空类型指针”，它不指向任一种具体的数据类型，只提供一个地址。这是C有关地址应用的一种特殊情况。
这种空类型指针在形式上和其他指针一样，遵循C语言对指针的有关规定，它也有基类型，只是它的基类型是void，可以这样定义：

void*p; //定义p是void*型的指针变量

void*型指针代表“无指向的地址”，这种指针不指向任何类型的数据。不能企图通过它存取数据，在程序中它只是过渡性的，只有转换为有指向的地址，才能存取数据。

四、建立动态内存分配区和使用void指针

【例题】建立动态数组，输入5个学生的成绩，另外用一个函数检查其中有无低于60分的，输出不合格的成绩。
【思路】用malloc开辟一个动态自由区域，用来存放5个学生的成绩，会得到这个动态域的第一个字节的地址，他的基类型是void型。用一个基类型是int的指针变量p来指向动态数组的各元素，并输出它们的值。但必须先把malloc函数返回的void指针转换为整型指针，然后赋给p1。

#include 
#include  //程序中用了malloc函数，应包含stdlib.h
void check(int* p)//定义check函数，形参是int*指针
{
	printf("不合格的成绩为：");
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		if (p[i] < 60)
			printf("%d ", p[i]);//输出不合格成绩
	}
	printf("\n");
}
int main()
{
	int* p1 = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  //p1是int型指针，开辟动态内存，将地址转换为int*型，然后放在p1中
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		scanf("%d", &p1[i]);//输入5个学生的成绩
	}
	check(p1);//调用check函数
	free(p1);
	return 0;
}

五、断言assert

一种比较保守的编程方式：每一次都要验证动态申请内存的返回值是否为空，这里就需要用到断言assert，assert函数的声明都在assert.h的头文件中，在用到这个函数时应该用#include指令把assert.h头文件包含在程序文件中。
【例题】输出n个连续自然数中的所有素数

void Getprimer(int n)
{
	int* p = (int*)malloc(n * sizeof(int));//堆
	assert(p != NULL);
	
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		p[i] = 1;
	}
	p[1] = p[0] = 0;//0和1不是素数
	for (int i = 2; i < n; i++)
	{
		for (int j = i + 1; j < n; j++)
		{
			if (j % i == 0)
				p[j] = 0;
		}
	}
	for (int i = 2; i < n; i++)
	{
		if (p[i] == 1)
		{
			printf("%d是素数\n", i);
		}
	}

	free(p);
}
int main()
{
	int n;
	printf("请输入n的大小：");
	scanf("%d", &n);
	Getprimer(n);
	return 0;
}