高效利用内存资源之动态内存管理详解
目录
一、为什么存在动态内存分配
二、动态内存函数的介绍
2.1malloc
2.2free
2.3calloc
2.4realloc
三、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）
四、经典笔试题
题目一：
题目二：
题目三：
题目四：
五、C/C++程序的内存开辟
六、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
结语：
一、为什么存在动态内存分配
截止目前我们已经掌握的开辟空间的方式有以下两种：
int main()
{
//在栈空间上开辟四个字节，存放一个值
int a = 10;
//在栈空间上开辟10个字节的连续空间，存放一组数
int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
return 0;
}但是上述开辟空间的方式有两个特点：
- 空间开辟的大小是固定的。
- 数组在声明的时候，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，那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。这个时候C语言给了我们程序员一种权利：能够动态申请和管理内存空间，即动态内存的开辟。有了这种权力，我们就能很好的解决上述所面临的问题了。
二、动态内存函数的介绍
函数头文件都是：
#include 2.1malloc
"malloc"函数用于动态分配指定大小的内存空间，并返回一个指向该内存空间的指针。
函数原型：
void* malloc (size_t size);
- 其中，size参数表示需要分配的内存空间的大小，单位为字节。
- 函数返回一个指向分配的内存空间的指针，如果分配失败则返回 NULL。
函数用法示例：
#include
#include
int main()
{
//申请一块空间，用来存放10个整型
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因
if (ptr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
//因为这个函数返回一个指向分配好的内存块开头的指针，
//所以ptr这个指针变量相当于这块内存空间的首地址
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
return 0;
} 打印结果：
注意事项：
- 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，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
- 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。
malloc函数申请的空间有两种释放方式：
- free释放 --- 主动回收。
- 程序退出后，malloc申请的空间会被操作系统回收 --- 被动回收。
注：正常情况下，谁申请的空间，谁去释放，万一自己不释放，也要交代给别人记得释放。
2.2free
动态分配内存允许程序在运行时分配和释放内存，这对于处理大量数据或者需要灵活管理内存的程序非常重要。但是，如果不及时释放已经分配的内存，就会导致内存泄漏，最终可能导致程序崩溃。在C语言中，我们可以使用free()函数释放已经分配的内存。
函数原型：
void free (void* ptr);free函数非常简单，它只需要传入一个指向已经分配的内存块的指针，就可以将该内存块释放回操作系统。
函数用法示例：
#include
#include
int main()
{
//申请一块空间，用来存放10个整型
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因
if (ptr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
*ptr = 10;
printf("ptr指向的值为：%d\n", *ptr);
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
} 解析：
- 在上述代码中，首先使用malloc函数分配一个整型变量的内存空间，并将其赋值给指针变量ptr。然后，将整型变量的值设置为10，并输出该值。最后，使用free函数释放了该内存空间。
- 需要我们清楚的一点是，malloc的作用是申请一块空间供当前程序使用，而free函数的作用是把申请的这块空间还给操作系统。然而，free虽然将空间还给了操作系统，但指针变量ptr却还记得申请的这块空间的地址，这时候它就变成了一个野指针，这是非常危险的，所以我们要在free释放完空间后将ptr置为空指针NULL。
注意事项：
- 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。
2.3calloc
"calloc"函数和"malloc"函数相似，都是用来分配内存的。不同之处在于"calloc"函数在分配内存时会将内存中的每个字节初始化为0。
函数原型：
void* calloc (size_t num, size_t size);
- "calloc"函数接收两个参数，分别是要分配的元素个数和每个元素的大小。
- 它会分配总共 num*size 个字节的内存，并将这些内存空间初始化为0。
函数用法示例：
#include
#include
int main()
{
int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//打印
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(ptr + i));
}
//释放
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
} 解析：
在上述代码中，首先使用calloc函数分配了10个整型变量的内存空间 ，并将其赋值给指针变量ptr。由于calloc函数会将分配的内存空间初始化为0，因此在使用循环输出ptr指向的内存空间时，会发现所有的值都是0。最后，使用free函数释放了该内存空间。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。
2.4realloc
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，即realloc函数用于重新分配之前通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块的大小。
函数原型：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
- ptr：之前分配的内存块的指针。
- size：新的内存块的大小。
- 返回值为调整之后的内存起始位置。
- realloc函数会尝试将之前分配的内存块的大小改变为size字节，并返回指向新内存块的指针。如果无法满足新的大小要求，realloc函数可能会在不同的位置重新分配内存块，并将原内存块的内容复制到新的内存块中。
函数用法示例：
#include
#include
int main()
{
//分配10个整型的内存块
int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//初始化内存块
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ptr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);
}
//空间不够，希望调整空间为20个整型的空间
int* p = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));
if (p != NULL)
{
ptr = p;
}
//释放
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
} 注意事项：
1.realloc函数在调整内存空间时存在两种情况：
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：
2.如果ptr为NULL，则realloc的行为类似于free，即它将分配一个新的内存块。
int main()
{
int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}三、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(40);
//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错
*p = 20;
return 0;
}这时候鼠标点上去编译器就会提示你有错误：
正确写法：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
}
//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错
*p = 20;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}3.2对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//初始化内存块
int i = 0;
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
ptr[i] = i;//当i是10的时候越界访问
}
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
printf("%d ", ptr[i]);//当i是10的时候越界访问
}
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}3.3对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}上述代码中的变量a是我们在栈上面开辟的空间，而free只能释放malloc、calloc、realloc开辟的空间，它们都是在堆区上面开辟空间。
3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//初始化内存块
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*ptr = i;
ptr++;
}
// 0 1 2 3 4 0 0 0 0 0
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}在上述代码中，我们初始化内存块的时候，刚开始*ptr指向所开辟的这块空间的第一个元素，将它初始化为0，然后ptr++，指向第二个元素，初始化为1，直到循环结束，所开辟的这块空间前5个元素就会被初始化为0 1 2 3 4，而因为它是calloc开辟的空间，所以剩下的5个元素就会被初始化为0 0 0 0 0。而现在当这个循环结束的时候ptr++，它会指向第6个元素，紧接着直接释放内存，这个时候程序就会出现问题。所以我们要释放也是全部释放。
3.5对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
//...
return 1;
}
free(p);
//...
free(p);
return 0;
}解决办法是第一次释放完空间后将p置为NULL指针，因为当free函数的参数为NULL指针是它什么事也不做。
3.6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);
}忘记释放不在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。
四、经典笔试题
题目一：
#include
#include
#include
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？
int main()
{
Test();
return 0;
} 
解析：
上述这段代码运行起来后最终会崩溃。首先程序运行起来后先进入main函数，然后调用Test函数，进入Test函数后，创建指针变量str并将它置为NULL指针。紧接着再调用GetMemory函数，将实参str传给形参p，并将str的值也一并传给了形参，然后malloc开辟100个字节的空间并将它的起始地址返回给p，即p指向此时开辟的这100个字节的空间。当它返回被调用的GetMemory函数时，因为它是形参，一旦函数执行完毕，形参的值和状态将不再保留，所以p所占用的内存空间将会被释放，但malloc开辟的这块空间还存在，此时因为p不见了，所以没人能找到这块空间。函数继续往下执行，要将"hello world"拷贝到str指向的空间，但因为str是空指针，这儿必然会对空指针进行解引用操作，所以会出现程序崩溃的情况。而且程序运行结束时，malloc开辟的空间也没有释放，所以还会发生内存泄漏的情况。
改正后的代码：
#include
#include
#include
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;
} 
因为形参是实参的一份临时拷贝，所以改变形参并不会影响到实参。在上面改进后的代码中，我们将str的地址传给形参，并用二级指针变量来接收，然后解引用p，找到str让他指向malloc函数开辟的空间，就可以将"hello world"拷贝过去了。
题目二：
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？
int main()
{
Test();
return 0;
}
解析：
在上述代码中，我们还是先进入主函数，然后调用Test函数，进入Test函数内部首先创建str指针变量并将它置为NULL指针，然后调用GetMemory函数并将它的返回值赋给str，进入GetMemory函数内部，创建一个数组，里边存放的是"hello world"，这儿我们应该清楚这个p数组它是在栈上边创建的，进入这个函数创建，出这个函数销毁。然后返回p（此时p是数组名，代表的是数组首元素的地址），str接收返回的p，此时，str里边存放的就是p的地址值，但是，虽然将地址值带回来了，创建的那块空间却不属于我了（因为出了函数后，创建的空间就会还给操作系统，它的使用权限就不属于我了）。所以，当我们再去使用str指针的时候，它就会变成野指针，这种问题属于返回栈空间地址的问题。
要想解决这个问题也很简单，第一种方法可以在局部变量char p[ ]前面加关键字static修饰，这样它就变成了静态局部变量，它会一直存在于内存中，直到程序结束。第二种方法是用malloc函数来开辟空间，只要程序不退出或主动回收，这块空间就一直存在。
题目三：
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？
int main()
{
Test();
return 0;
}
解析：
上面这段代码虽然能打印出结果来，但它在使用完malloc开辟的空间后没有将它释放，所以说存在内存泄漏的问题。
题目四：
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？
int main()
{
Test();
return 0;
}解析：
上面这段程序将"hello"拷贝到malloc函数开辟的空间后，直接将这块空间释放掉了，但str还是存着这块空间的地址，所以在if语句中判断时，它依然为真，那就进入函数内部，将"world"拷贝到str指向的这块空间的地址，此时的str已经变成了野指针，对野指针进行操作，就是非法访问内存。
其实这段代码考察的点在free释放完空间后有没有将str置为NULL指针。
五、C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。
- 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。
- 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。
- 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。
有了这幅图，我们就可以更好的理解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。
六、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：
struct s
{
char c;
int i;
int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct s
{
char c;
int i;
int arr[];//未知大小的数组--柔性数组成员
};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。
struct s
{
char c;//1
int i;//4
int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s));
return 0;
} 
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。
struct s
{
char c;
int i;
int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};
int main()
{
struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
if (pc == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//释放
free(pc);
pc = NULL;
return 0;
}6.2柔性数组的使用
//代码1
struct s
{
char c;
int i;
int arr[];
};
int main()
{
struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
if (pc == NULL)
{
peror("malloc");
return 1;
}
pc->c = 'w';
pc->i = 100;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
pc->arr[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", pc->arr[i]);
}
//空间不够了，增容
struct s* ptr = (struct s*)realloc(pc, sizeof(struct s) + 40);
if (ptr != NULL)
{
pc = ptr;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
//增容成功后，继续使用
// ......
//释放
free(pc);
pc = NULL;
return 0;
}6.3柔性数组的优势
上述的代码也可写成下面这样：
//代码2
struct s
{
char c;
int i;
int* data;
};
int main()
{
struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
if (pc == NULL)
{
peror("malloc1");
return 1;
}
pc->c = 'w';
pc->i = 100;
pc->data = (int*)malloc(20);
if (pc->data == NULL)
{
perror("malloc2");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
pc->data[i] = i;
}
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", pc->data[i]);
}
//空间不够了，增容
int* ptr = (int*)realloc(pc->data, 40);
if (ptr != NULL)
{
pc->data = ptr;
return 1;
}
//释放
free(pc->data);
pc->data = NULL;
free(pc);
pc = 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：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。
结语：
动态内存分配是一项强大而灵活的功能，它允许程序再运行时动态的分配和释放内存。然而，与之相伴而来的是一些潜在的问题和风险。在使用动态内存时，我们需要特别注意内存泄漏、野指针、内存碎片等问题，以及合理的管理内存的生命周期。