动态内存管理

1. 为什么存在动态内存分配

我们现在所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， 那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

这时候就只能试试动态存开辟了。

2.动态内存函数的介绍

由于动态内存函数全在stdlib.h头文件里，所以在使用时，要在前面加上#include<stdlib.h>

。malloc函数

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。
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，具体在使用的时候使用者自己 来决定。
4，参数size为开辟空间的大小，单位为字节。一般会出现sizeof参与。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：
1，malloc是向堆区申请的空间，若无其他干预，它的生命周期为整个程序结束（malloc申请的空间，只有当程序退出时，才会还给操作系统，当程序不退出时，动态申请的内存时不会主动释放的）且不会初始化空间的内容。
。
2，malloc函数申请空间成功后会返回这块空间的起始地址，申请失败则会返回NULL，但我们要注意的是返回值的类型为void * 因此我们需要强制转化成我们需要的类型。

动态开辟空间的例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc这个函数实在是stdlib.h这个头文件里
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//向内存申请40个字节的空间
	
	if (p == NULL)//申请失败
	{
		perror("malloc failed");
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}
	return 0;
}

。free函数

专门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：

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。
2，如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

注：free释放的是，参数所指向的那块空间的内存，而不是释放储存参数ptr的空间！，通常使用函数free之后，紧接着便是，将参数置为NULL，（目的是防止出现野指针。）！

释放动态开辟空间的例子：

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int num = 10;
	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;
	return 0;
}

。calloc函数

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);

、

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。 举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

、

。realloc函数

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);

1,ptr 是要调整的内存地址
2,size 调整之后新大小
3,返回值为调整之后的内存起始位置。
4,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。
5,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

举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }
 //扩展容量
 
 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

注：这里为什么我们要用一个指针p去过渡将realloc重新开辟的付给ptr呢？
。

答：由于realloc开辟情况的特殊性可能会导致其开辟空间的失败，一旦开辟失败就会返回空指针。当这时我们用ptr去接受realloc函数的返回值时，就会使我们丢失未开辟空间前的地址，导致内存泄漏。而当我们用p时，我们可以通过判断p是否为空指针来避免这种情况，阻止内存泄漏。

3.常见的动态内存错误

3.1 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);
}

在使用malloc函数之后一定要判断是否开辟空间成功，防止对空指针的使用。

3.2对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
 int i = 0;
 int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
 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
 }
 free(p);
 p==NULL;
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?free函数只能对动态开辟的空间进行释放
 p==NULL;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

对于动态开辟的一块内存空间，要释放时，必须全部释放。因此一定要保留好起始位置的空间

3.5 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
}

这里再次提醒我们当释放空间后，一定要将指针置为NULL。

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 。

4.几个经典的笔试题

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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

答：程序会报错（题目的错误：str为NULL，内存泄漏）。
原因：函数GetMemory的参数时一级指针，在上述的代码中的实参也是一级指针，因此在这里是按值传递的，形参的改变不会改变实参，因此str仍然是NULL，而strcpy这个函数不允许str为NULL，所以为空，在这里我们可以把GetMemory函数的参数改为二级指针，且实参改为指针变量str的地址这样我们就可以实现题目原本的目的。

题目2：

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？

答：运行结果不会打印出我们想要的“hello world”，会打印出一些我们无法想到的东西。
原因：字符数组p[]是局部变量，当出了作用域是就会被销毁，因此当GetMemory这个函数结束时字符数组p[]就会被销毁，原本储存的那些数据会被改变，从而使我们得不到我们想要的结果。

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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

答：打印 hello。 原因：这里GetMemory函数用的是二级指针，是用地址传递，可以改变实参，且动态开辟的空间的生存周期是整个程序。

题目4：

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

答：程序会报错。 原因：free已经释放了str指向的空间，此时不能使用str，这样就是使用野指针会报错。

5.C/C++程序的内存开辟

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的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。

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
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

通俗的来讲柔性数组就是在结构体中，最后的一个成员是一个大小为0或没有给出大小的数组。

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。
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。

例如：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4.

6.2柔性数组的使用

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//代码1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));//这里sizeof(type_a)是结构体的大小，100*sizeof(int)是柔性数组的大小
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->a[i] = i;
}
free(p);

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。

6.2柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int *p_a;
}type_a;
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;

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：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）