动态内存管理

各位小伙伴们，这次我们来学习一个全新的内容，就是动态内存的管理，在以后的工作和学习中，可能会遇见空间不够的情况，空间开辟大了会造成浪费，小了又会产生问题，所以学会内存的动态管理是很有必要的，接下来就跟着我的步伐一起来学习如何使用动态内存的管理吧。

1.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：

• 空间开辟⼤⼩是固定的。

• 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。

2.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);

size的意思是内存块的大小，单位是字节

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

使用malloc函数开辟空间一般是这样写的，要用的强制类型转换

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	return 0;
}

我们要知道malloc申请的空间是在堆区的！其他函数的区域如图所示。

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。

举例：

#include
#include
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

还有一点要注意的是malloc没有赋值的时候，产生的值是一些随机值

在释放完内存之后，为了防止ptr将来成为野指针，所以我们要将ptr置为空指针

3.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。

• 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为0

 举个例子：

与malloc函数不同的是当没有赋初值的时候，它是会有初值的，为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：原有空间之后没有⾜够⼤的空间

◦ 情况2：原有空间之后有⾜够⼤的空间

情况1

当是情况1 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.

情况2

当是情况2 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.

由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意一些

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if(p==NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//空间不够，想要扩大空间，20个整形
	//先将realloc函数的返回值放在ptr中，不为NULL，在放p中
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

4.常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	*p = 20;//p有可能是NULL指针的
	free(p);
	return 0;
}

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11的时候越界访问
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这个代码会造成越界访问，如图

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}

	p = &a;//p指向的空间就不在是堆区上的空间，因为局部变量是在栈区
	free(p); 
	p = NULL;
	return 0;
}

这段代码也会使程序崩溃

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
	p = NULL;
}

这种写法也会让程序崩溃

原因如下图所示

4.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	
	free(p);
	free(p);
	p = NULL;
}

解决方法是对每次释放完空间之后将p置为NULL指针。如下图所示

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

5.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 st_type
{
     int i;
     int a[0];//柔性数组成员
};

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

struct st_type
{
   int i;
   int a[];//柔性数组成员
};

5.1 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。

• 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。

如图所示，这个结构体的大小就是int类型的大小，不会把柔性数组的大小算在里面。

如果加一个char类型的数据，那么结构体的大小就是内存对齐的大小

5.2 柔性数组的使用

#include 
#include 
int main()
{

 int i = 0;
 type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
 //业务处理
 p->i = 100;
 for(i=0; i<100; i++)
 {
 p->a[i] = i;
 }
 free(p);
 return 0;

}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

6. 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。

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。

好了，看了这么就想必你也应该知道了什么是动态内存，我这里讲解的可能不是很详细，会有一点让人不好理解的地方，感兴趣的小伙伴们可以查找一些相关资料继续深入学习。