1. 存在动态内存分配的原因

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//写死了
//变长数组，int arr[n]，变量的方式可以指定大小，并非意味着数组可以变大变小

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

//malloc,申请一块内存空间，返回指向那块空间的起始地址

//calloc

//realloc

//free

2.1 malloc和free

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 为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

C语言提供了另外一个函数free，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。//只能释放堆上的空间，即就是动态开辟的内存。

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。

举个例子：

#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    //申请40个字节，用来存放10个整型
    int* p = (int*)malloc(40);//申请了一串连续的空间，头文件stdlib.h
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误原因，头文件errno.h和string.h
        return 1;
    }
    //存放1~10
    int i = 0;
    /*
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
    }*/
    //打印
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d\n", *(p + i));
    }
    //free是释放申请的内存
    free(p);//主动释放，后续不能使用，使用的话就是非访问，为了防止非法访问将p定为空指针
    p = NULL;//主动将p定位空指针，科学写法

    return 0;
}

//p,10观察p后的十个元素

#include <stdio.h>
int main()
{
    //代码1
    int num = 0;
    scanf("%d", &num);
    int arr[num] = { 0 };
    //代码2
    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;
}

2.2 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);//两个参数，malloc一个参数

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。

malloc	calloc
malloc申请的空间没有初始化直接返回起始地址	calloc申请好空间后，会把空间初始化为0然后返回起始地址

举个例子：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

//malloc,calloc 都是在堆区上申请空间
//空间使用完后都要释放
//
int main()
{
    int*p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (NULL == p)
    {
        perror("calloc");
        return 1;
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }

    //释放
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

#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;
}

2.3 realloc

//其实类似于malloc

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

//后面有足够空间可以扩容，直接在后面续上新的空间，返回旧的起始地址

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。（同时它会将旧的空间释放掉）

//realloc在扩容的时候申请失败，直接返回空指针，这时如果用原来的指针p接受，直接将上述数据弄丢了

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：

int main()
{
    int*p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = 1;
    }
    //不够了，增加5个整型的空间
    int* ptr = (int*)realloc(p, 1000*sizeof(int));//不能用p接受，应该用一个新指针ptr接受
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
        ptr = NULL;//防止变为野指针
    }
    //继续使用空间
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }

    //释放空间
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

#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1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
    //代码2
    int* p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if (p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }
    //业务处理
    free(ptr);
    return 0;
}

3.1 对NULL指针的解引用操作

//防止空指针为空，会存在野指针的情况

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);
}

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);
}

int main()
{
    int*p = (int*)malloc(100);
    //25 个整型
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    //越界访问
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        //*(p + i) = 0;
        p[i] = 0;
    }

    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
    int a = 10;//在栈区
    int* p = &a;
    free(p);//ok?no，只能释放堆区
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
    int*p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 25; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }

    free(p);//此时p不指向起始位置
    p = NULL;

    return 0;
}

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

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
}

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);
}

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    //使用
    free(p);
    p = NULL;
}

//函数内部进行了malloc操作，返回了malloc开辟的空间的起始地址
//记得释放
int* test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    //使用
    return p;
}

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。

//malloc和free成对使用，必须使得free执行

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char* p)
{
    p = (char*)malloc(100);//malloc申请100个空间fangdaop中
//p的改变不影响str
//同时该程序有malloc没有free，所以会导致内存泄漏
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");//str仍是空指针，NULL不允许普通程序访问，程序会崩溃
    printf(str);
}

错误类型：

1.str传给p的时候，p是str的临时拷贝，有自己独立的空间,当GetMemory函数内部申请了空间后，地址放在p中是，str依然是NULL。当GetMemory函数返回之后，strcpy拷贝的时候，形参了非法访问内存。

2.在GetMemory函数内部，动态申请了内存，但是没有释放，会内存泄漏。

改正1：

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

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

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

4.2 题目2：

//返回栈空间地址问题

//此时栈地址存在，空间出了自定义函数销毁了

char *GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";//改：char * p或者static char p[]
    return p;//返回的为首字符h的地址
    //除了此函数，这块空间还给操作系统了，不属于当前系统了，没有使用程序，形参非法访问内存
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);//非法访问内存
}

类似错误：

int* test()
{
    int a = 10;
    return &a;
}

int main()
{
    int* p = test();
    printf("hehe\n");//可能覆盖原来的栈帧
    printf("%d\n", *p);//打印的东西为随机数
    
    return 0;
}

4.3 题目3：

void GetMemory(char* * p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);//内存泄漏，malloc没有释放空间用函数free
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
}

4.4 题目4：

void Test(void)
{
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//malloc开辟的内存还给操作系统，没有使用权限。并不是把他置为空指针
    //自以为free就是将指针置为空，其实并不然
    //需要增加如下命令，才会使得指针为空指针
    //改：str=NULL;
    if(str != NULL)
    {
    strcpy(str, "world");//此时为非法访问，此时的str为野指针
    printf(str);
    }
}

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（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。

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

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。
必须为结构体的最后一个成员

例如：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员，数组的大小是未知的，又是该结构体最后一个成员
}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;

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。
//计算结构体大小时，不包含柔性数组大小，柔性数组大小是未知的。

6.2 柔性数组的使用

struct S
{
    int n;//4
    char arr[];//数组的大小是未知 - 柔性数组成员
};

int main()
{
    //printf("%d\n", sizeof(struct S));
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(char));
    ps->n = 100;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = 'Q';
    }
    //
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%c ", ps->arr[i]);
    }
    //增容
    struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+20*sizeof(char));//后者开辟的内存是给柔性数组的。想开辟多少空间就开辟多少空间。
    if (ptr != NULL)
    {
        ps = ptr;
    }
    else
    {
        perror("realloc");
        return 1;
    }
    //使用
    //释放
    free(ps);
    ps = NULL;

    return 0;
}

//代码1
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);

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

//柔性数组可以提供更多的可能性

上述的 type_a 结构也可以设计为：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
//代码2
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;
//（malloc两次，free两次，内存碎片更高）

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。

（malloc一次，free一次，空间连续，访问数据效率更高）