C语言——O/动态内存管理

一、为什么要有动态内存分配

二、malloc 和 free

1、malloc

2、free

三、calloc和realloc

1、calloc

2、realloc

四、常见的动态内存的错误

1、对NULL指针的解引用操作

2、对动态开辟空间的越界访问

3、对非动态开辟内存使用 free 释放

4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

5、对同一块动态内存多次释放

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

五、动态内存经典笔试题分析

1、题⽬1：

2、题⽬2：

3、题目3：

4、题目4：

六、柔性数组

1、柔性数组的特点：

2、柔性数组的使用

3、柔性数组的优势

七、总结C/C++中程序内存区域划分

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：
• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，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

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 输入为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。

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 都在 stdlib.h 头文件中

#include <stdlib.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p == NULL)//开辟失败
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//使用 - 给数组赋值
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);//释放p所指向的动态内存
	ptr = NULL;//防止p成为野指针
	return 0;
}

三、calloc和realloc

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0。
举个例子：

#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;
}

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、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。

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（返回空指针）。
• 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在调整内存空间有两种情况：
◦ 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，同时把旧的数据拷贝到新的空间中，然后释放空间。
由于上述的两种情况，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？)
    //一般不会返回原空间会创造出新的空间

	//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;
}

int main()
{
	int*p = (int*)realloc(NULL, 40);//等价于malloc

	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

四、常见的动态内存的错误

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);
}

//正确写法
int main()
{
	int*p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		//报错信息
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	*p = 20;//p有可能是NULL指针的
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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++)//当i是10的时候越界访问
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
}

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;
	}
	//使用
	//...
	p = &a;//p指向的空间就不再是堆区上的空间
	free(p);
	p = NULL;
	//....

	return 0;
}

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
}

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
}

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);//吃内存
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

总结：malloc / calloc / realloc 申请空间如果不主动释放，出作用域是不会销毁的，释放的方式：1. free主动释放；2. 直到程序结束，才由操作系统回收。

五、动态内存经典笔试题分析

1、题目1：

//分析代码
void GetMemory(char* p)//临时变量创建使用后就会销毁后
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}


//正确代码1
void GetMemory(char** p)
{
    *p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);//可以正常打印
    free(str);
    str = NULL;
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}


//正确代码2
#include <string.h>

char* GetMemory()
{
    char* p = (char*)malloc(100);
    return p;
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

程序崩溃

2、题目2：

//返回栈空间地址问题
char* GetMemory(void)//使用完就会被销毁
{
	char p[] = "hello world";//static char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

请问运⾏Test 函数会有什么样的结果？

崩溃

3、题目3：

//忘记释放，会造成内存泄露
void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

4、题目4：

//需要手动置空
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

//改正
void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    str = NULL;

    //str就是野指针
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");//非法访问
        printf(str);
    }
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

崩溃

六、柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexiblearray）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
{
	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：

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

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。
例如：

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，没有包含柔性数字
	return 0;
}

2、柔性数组的使用

//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;//可有可无
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;
	}
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", p->a[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。

3、柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	p->i = 100;
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));//当成一个数组
	//业务处理
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", p->p_a[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）

//示范
struct St
{
	char c;
	int n;
	int* arr;
};


int main()
{
	//struct St s = {0};
	//printf("%d\n", sizeof(struct St));
	struct St* ps = (struct St*)malloc(sizeof(struct St));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->c = 'w';
	ps->n = 100;
	
	ps->arr = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (ps->arr == NULL)
	{
		perror("malloc-2");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	//数组空间不够
	int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 15*sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	for (i = 10; i < 15; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("\n%d\n", ps->n);
	printf("%c\n", ps->c);

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;

	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

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。
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（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。

学习很苦，鸡汤很补！！！