一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数

1.内存的分区

2.malloc和free

（1）malloc和free库函数文档

（2）malloc和free的使用

2.calloc

（1）calloc的库函数文档

（2）calloc的使用

（3）与malloc的区别

3.realloc

（1）realloc的库函数文档

（2）realloc的使用

三、常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用

2.对动态开辟的内存越界访问

3.对非动态开辟的空间使用free

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

5.对同一块内存多次释放

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

四、一些经典的题目

题1

题2

题3

题4

五、C/C++程序的内存开辟

六、柔性数组

1.柔性数组的概念以及声明

2.柔性数组的特点

3.柔性数组的使用

4.柔性数组的优点

总结

一、为什么存在动态内存分配

我们已经知道的内存开辟方式有

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

但是这样开辟出来的空间有两个特点

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内存开辟了。

二、动态内存函数

1.内存的分区

我们首先要知道，我们的内存大致可以分为栈区，堆区，静态区的

我们现在所说的动态内存函数都是在堆区的。

2.malloc和free

（1）malloc和free库函数文档

从这里我们可以得知，我们这里接受一个整型变量size，开辟一个size字节的空间大小。这块空间是连续的。然后返回这块空间的起始地址，这个返回类型是void*，所以我们开辟好后需要进行强制类型转化

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。

free这个函数是用于释放我们动态开辟的内存空间。因为动态开辟的空间都是在堆区的。和局部变量这些开辟在栈区不同的是。他们会有栈帧的销毁的。所以不用我们去回收这块空间。而堆区的空间只有靠free来销毁回收。虽然说当程序结束的时候堆区的内存也会被销毁掉，但是如果程序很长时间不关闭的话，就很容易出现内存泄漏

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。

（2）malloc和free的使用

这就是我们malloc的使用了，要注意我们一定要检查malloc出来的指针是否为空，因为有可能申请失败了。就会返回空指针，而我们后续一旦解引用空指针就会出现大问题

这里我们也使用了free这个函数，这个函数的功能是释放掉使用的堆区的内存。我们这个程序没有free固然是没有任何问题的。因为程序结束后也会释放这个内存。但是如果对于有循环不会结束的程序，那么问题就严重了，会造成内存泄漏，而我们free后也要记得将p置空，否则p就是野指针

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

当然我们也可以演示一下内存开辟失败的情况

2.calloc

（1）calloc的库函数文档

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。

（2）calloc的使用

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

（3）与malloc的区别

malloc申请到的空间没有初始化，直接返回起始地址

calloc申请到的空间，会将所有元素初始化为0，然后返回起始地址

当然由于calooc需要初始化，所以calloc的效率会更慢一些

3.realloc

（1）realloc的库函数文档

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

ptr 是要调整的内存地址，他时被malloc、calloc、realloc出来的
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，如果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几种情况：
情况1：原有空间之后有足够大的空间

在这种情况下，relloc就会在原来的地址后面续上新的空间，返回旧的起始地址

情况2：原有空间之后没有足够大的空间
在这种情况下，realloc就会重新找一块满足空间大小的新的连续空间，把旧的空间的数据，拷贝到新的空间中去，然后释放旧的空间。同时返回新的空间的地址

情况3：realloc开辟失败

直接返回空指针，但是不会销毁旧的空间数据

情况4：realloc传一个空指针

此时就相当于一个malloc

（2）realloc的使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(20);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(ptr + i) = i + 1;
	}
	int* p = (int*)realloc(ptr, 40);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
		p == NULL;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用

如下代码所示，我们使用malloc时候，未进行判断指针p是否为NULL，如果没有判断且指针为空，那么则会程序崩溃

#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
	return 0;
}

2.对动态开辟的内存越界访问

如下代码所示，我们开辟了100个字节，也就是25个整型，但是我们访问了100个整型，这样就越界访问了，程序会崩溃

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.对非动态开辟的空间使用free

如下代码所示，a是栈区上的数据，但是我们对a进行了free，那么最终的结果就是程序挂了

#include<stdlib.h>
int main()
{
	int a = 0;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

如下代码所示，我们在赋值的过程中p移动了，最终free的p指向的是动态开辟内存的一部分，那么此时程序就会挂了

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p++;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

5.对同一块内存多次释放

如下图所示，对p进行了两次释放，那么最终结果就是程序挂了

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	free(p);
	return 0;
}

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

如下代码所示，有两处错误

第一处错误是没有释放malloc出来的空间

第二处错误是我们后续无法找到malloc出来的空间了，无法后续进行释放

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

四、一些经典的题目

题1

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

这段代码最终的结果是程序挂了

这段代码有两处地方错误

第一处是str应该传传二级指针。因为我们是需要改变的str里面的值的。所以要传str的地址过去，而我们没有传str的地址过去。这就导致了str还是一个NULL，因此我们使用strcpy的时候，将hello world放到空指针处肯定会导致程序挂了

第二处是我们的开辟的空间指向给了p这个指针，但是p是一个局部变量，随着函数的结束，p的值也就找不到了。也就是说我们这里以后也找不到动态开辟的空间了。这就导致了内存泄漏

当然在这个代码中我们还需要注意的是printf(str)这种写法。

我们平时打印的都是printf("hehe\n")这种形式的，这两种写法都一样的，printf接受hehe传的也是首元素的地址。所以我们直接传一个str这个首元素地址也是可以的。

题2

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

对于这个题，我们最终的运行结果是随机值，这类题是属于返回栈空间地址的问题

我们在GetMemory函数中创建了一个数组，这个数组是在栈区上创建的，然后我们返回这个数组的地址。我们的确可以成功接收这个地址，但是问题是，这个地址所指向的空间已经被销毁了。不属于我们的空间了。而我们这时候在打印的话，就会出现随机值。

要解决这个问题，修改这段代码的话，我们有多种方法，我们可以为p加上static修饰一下。这样这个数组就在静态区了。不会被销毁了。

我们也可以将这个数组变成一个指针来接收，因为字符串常量本来就在只读数据区，我们的指针只是接收这个地址的。所以也是可以的

类似的例子还有下面这个

#include<stdio.h>
int* test()
{
	int a = 10;
	return &a;
}
int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d", *p);
}

这个也是返回了栈空间的地址。所以理论上说他应该也是随机值，但是我们运行后会发现，结果是10。这其实是一种偶然。因为我们创建好test的栈帧以后，在test的栈帧里面创建了a的栈帧。然后我们返回a的地址的时候，我们还没有破坏修改a的栈帧。所以数据还在，所以我们打印出来的还是10

但是我们一旦破坏了这个栈帧。结果就改变了

题3

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

这段代码从运行结果上来看，是没有什么问题的。

这段代码出现的问题是存在内存泄漏，我们动态开辟了空间，但是没有free掉

题4

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

这段代码从运行结果上来说，可以输出world。但是还是存在一定的问题的

因为我们动态开辟了一个空间，但是我们拷贝完hello之后就将他释放掉了，这块空间已经不归str管理了，但是str还有这块空间的地址，我们还判断了str不为空时，进行拷贝world，这个判断肯定是为真的，但是此时已经造成了非法访问了。

修改方式应该是free之后，将str置为NULL

五、C/C++程序的内存开辟

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。

这样我们也就理解了之前所说的static修饰局部变量会使生命周期变长的原因了

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

1.柔性数组的概念以及声明

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

如下代码所示，柔性数组的声明有两种方式，一种是数组后面直接加[ ] ，另外一种是数组后面的[]里面的数据写为0

struct S1
{
	int i;
	char c;
	int a[];
};

struct S2
{
	int i;
	char c;
	int a[0];
};

2.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。

对于1、2两个特点

在下面这段代码中，我们定义了一个结构体，我们计算这个结构体的大小最终结果是4

可见只包含了n的大小，这也说明了有柔性数组成员的前面必须至少有一个其他成员。

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	char arr[];
};
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct S));
}

对于特点3

下面这段代码就是为这个结构体开辟一块空间

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct S
{
	int n;
	char arr[];
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(char) * 10);
}

他的内存是这样的

3.柔性数组的使用

如下代码所示，我们创建了一个柔性数组，并且给他开辟了空间

当我们想要更多的空间时候，使用realloc增容

最后释放这块空间就可以了

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct S
{
	int n;
	char arr[];
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(char) * 10);
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}
	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'W';
	}
	struct S* p = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + sizeof(char) * 20);
	if (p == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	ps = p;
	p = NULL;
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'Q';
	}
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%c ", ps->arr[i]);
	}
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

4.柔性数组的优点

我们了解了柔性数组的使用以后，我们可能也知道这样的使用也跟柔性数组差不多

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
struct S
{
	int n;
	char* arr;
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("ps malloc");
		return 1;
	}
	ps->n = 10;
	ps->arr = (char*)malloc(sizeof(char) * 10);
	if (ps->arr == NULL)
	{
		perror("ps->arr malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'Q';
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%c ", ps->arr[i]);
	}
	printf("\n");
	char* ptr = (char*)realloc(ps->arr, sizeof(char) * 20);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	ps->arr = ptr;
	ptr = NULL;
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = 'W';
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		printf("%c ", ps->arr[i]);
	}
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

但是呢他相比较柔性数组还是有一定的缺点的

柔性数组：

一次malloc、一次free、内存连续

上面这个代码的方式

两次malloc、两次free、内存不连续

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。但是其实也没有提高多高了，因为后续还是需要使用偏移量的加法寻址