动态内存管理
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一. 为什么要有动态内存分配
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，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整 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。 C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间，就⽐较灵活了。
二. malloc和free
2.1 malloc
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。
• 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。
注意：malloc在堆区申请内存空间，如果需要释放空间，需要使用free函数，如果没有使用free释放，在程序退出时，也会由操作系统来回收。
2.2 free
C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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。
• 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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。
注：当使用free释放空间时，例如：free(p) ,要及时将p=NULL,因为此时p指向的空间被释放了，p变成野指针了。
三. calloc和realloc
3.1 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);• 函数的功能是开辟num 个⼤⼩为 size个字节的空间，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.
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很⽅便的使⽤calloc函数来完成任务。
3.2 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。
注意：当realloc的第一个参数为NULL时，功能相当于malloc
realloc(NULL,40);//malloc(40)四. 常见的动态内存的错误
4.1 对NULL指针的解引用操作
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);
}如果malloc开辟空间失败，就会返回空指针，此时会对空指针解引用，正确的做法要在解引用前对malloc的返回值进行检测。
4.2 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (NULL == p)
{
return 1;
}
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
* (p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}输出结果：
在i=10的时候就出现越界访问了。
4.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);
}解析：同样的，对非动态开辟内存用free释放，也会导致程序崩溃
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);
}p不再指向动态内存的起始位置,这样会出错，使用free时，必须指向动态开辟内存的起始位
置。
4.5 对同⼀块动态内存多次释放
int main()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}重复释放会出现问题，如何避免这个问题，在free一次后，赋值NULL后，再次free就没有问题了。
4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}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。
五. 动态内存经典笔试题分析
说明：以下题目来源于《高质量c++/c编程指南》
5.1 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);
free(str);
}
int main()
{
test();
return 0;
}程序会崩溃，有俩点原因：1、str传的是空指针，p是对str另外一份临时拷贝，p指针指向一片动态内存开辟空间不会影响str,所以下面的函数对null指针进行解引用操作；
2、void GetMemory(char* p)这个函数申请的空间没有进行free操作，导致内存泄漏。
怎么样修改才对呢？
第一种改法：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void test( )
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
str = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}此时*p就是str,修改*p就是修改str.
第二种改法：
#include
char* GetMemory()
{
char* p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void test( )
{
char* str = NULL;
str= GetMemory();
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
} 此时对于GetMemory()传参没有什么用处，所以可以不用传参。
5.2 题目2
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}局部变量所申请的空间随函数调用结束，返还给操作系统，所以str所指向的空间不属于主函数，属于非法访问。
属于返回栈空间地址问题（str属于野指针）
5.3 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;
}这个和第一道差不多，可以正常打印出来，但是没有free，容易造成内存泄漏。
5.4 题目
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");//非法访问
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}因为str指向的空间已经释放了，str为野指针，属于非法访问。
六 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，结构体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
2 {
3 int i;
4 int a[];//柔性数组成员
5 }type_a;或者
typedef struct st_type
2 {
3 int i;
4 int a[0];//柔性数组成员
5 }type_a;6.1 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。 （至少俩个成员）
• 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。
举例：
代码1：
struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct st_type));//输出的是4
return 0;
}
int main()
{
int i = 0;
struct st_type* p = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 100 * sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
return 0;
}6.2 柔性数组的优势
代码2：
struct st_type
{
int i;
int* p_a;
};
int main()
{
struct st_type* p = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type));
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
int i = 0;
//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;
return 0;
} 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 指望⽤⼾来发现这个事。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 回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次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。
七. 总结C/C++中程序内存区域划分
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。栈区的详解可看（函数栈帧的创建与销毁）2. 堆区（heap）：⼀般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收 。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。