1.动态内存的分配
在我们初学C语言的时候，我们经常用一下几种方式申请内存空间。
int a = 10;//在栈空间上开辟4个字节存放这个值。
char arr[10] = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间。
但是上述开辟空间有两个特点
1.空间开辟大小是固定的，一旦确定了，在栈空间是无法修改的。
2.数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整。
而上述的情况在程序运行的时候已经确定大小了，我们不想要这样，所以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。
而动态内存开辟可以让程序员自己主动申请空间。
2.malloc和free
2.1 malloc
C语言提供了一个动态内存开辟函数
void* malloc (size_t size);
//无符号整型需要size_t返回类型。
这个函数是像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，具体在使用者自己来决定。
4.如果参数size为0.malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <assert.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5*sizeof(int));
//20个字节存放5个整数，存放在p这个指针变量中
//类型是int*，malloc本来的类型是void*，现在强转为int*，5个元素，20个字节。
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d " ,* (p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
2.2 free
函数free动态内存的释放和回收
void free (void * ptr);
free函数用来释放动态开辟的内存。
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。//比如说int a = 10；
2.如果参数ptr是NUll指针，则函数什么事都不做。//ptt = NULL;
3.malloc 和 free都声明在stdlib.h头文件中。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int num = 0;
int arr[] = { 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9};
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;//必须置为空指针，否则这个指针会变成野指针。
//如果在后面不想使用，可以用free释放，如果没有使用free释放，当程序运行结束的时候
//也会让操作系统回收的。
return 0;
}
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。
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,而malloc不会，它会生成一些随机数。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if(NULL != p)
{
int i = 0;
for(i=0; i<10; i++)
{
printf("%d ", *(p+i));
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
如果我们相对申请的内存空间要求初始化，那么calloc函数无疑是很好的选择。
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。
简而言之，当我们申请空间后，想要调整空间的内存大小，那么realloc函数就可以做到动态开辟内存大小的调整。
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
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(20);
if (ptr != NULL)
{
int* tmp = realloc(ptr, 40);
}
return 0;
}
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。
1.在堆区的内存中找一个新的空间，并且新的大小要求
2.会原来空间的数据拷贝一份到新的空间
3.释放旧的空间
4.返回新的内存空间的起始地址
realloc函数的使⽤就要注意⼀些。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
return 1;
}
//扩展容量
//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
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
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题。//*p = NULL;这是大错特错的，我们不能对空指针解引用。
free(p)
}
当程序试图解引用一个期望非空但是实际为空的指针时，会发生空指针解引用错误。对于空指针解引用可能会导致程序异常终止或拒绝服务。
空指针解引用是C/C++程序中较为普遍的内存缺陷类型。当指针指向无效的地址并且对其引用时。可能产生不可预见的错误，导师软件系统崩溃。空指针引用缺陷可能导致系统崩溃、拒绝服务诸多严重后果 。
4.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
//我们这里申请了40个字节的空间
if(NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问，对(p+i)进行解引用会导致越界访问，因为p刚开始存放的是第一个元素的地址，不断进行数组遍历，当i=10，会发生空间越界访问。
}
free(p);
}
4.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}
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。//比如说int a = 10；
4.4 使用free释放一块动态内存的一部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置,p++了。
}
4.5 对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
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。
有借有还，再借不难。
5.动态内存经典笔试题分析
5.1
void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);//动态内存开辟100个char类型的字节空间
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);//为这个空指针申请100个大小字节空间
strcpy(str, "hello world");
printf(str);//hello world
}
5.2
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
5.3
void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
5.4
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
6.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：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员，这个元素就是未知大小的数组。
}type_a;
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员，不完全初始化大小不确定的数组。
}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** 。
• 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。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4,在这里我们只计算i这个int类型的大小
//所以说sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。
return 0;
}
6.2 柔性数组的使用
//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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。
6.3 柔性数组的优势
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//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;
}
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 ⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾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。（其实，我个⼈觉得也没多⾼了，反正你 跑不了要⽤做偏移量的加法来寻址）
拓展阅读必须读你会悟的
C语言结构体里的数组和指针
7.总结C/C++中程序内存区域的划分
| 栈区 | 局部变量 | 形式参数 | ||
|---|---|---|---|---|
| 堆区 | malloc | free | calloc | realloc |
| 静态区 | 静态变量 | 全局变量 |
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
