C语言——动态内存分配
动态内存开辟的意义
从名字上来看，动态内存分配就是可以动态调整内存空间，那么我们为什么要进行动态内存开辟呢？
在我们以前学习过的知识中，我们知道这样一些内存开辟方式：
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个字节的连续空间使用单一变量或者是数组进行内存开辟，它们有两个特点：
• 空间开辟大小是固定的
• 数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，并且数组空间⼀旦确定，数组大小不能调整
为了解决这个问题，我们也就有了动态内存开辟，可以让 程序员自己可以申请和释放空间 ，这样使用起来也就更加地灵活。
malloc
malloc是一个动态内存开辟的函数，如果不太了解，我们可以在C Plusplus上面找到这个函数。
根据它的介绍我们可以知道malloc可以分配size大小的字节空间
解释：
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 头文件： stdlib.h
• 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 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
内存除了开辟以外，还需要进行的是内存空间的释放，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。
解释：
free函数用来释放动态开辟的内存！！！ 头文件也是stdlib.h
• 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，则函数什么都不做。
简单使用：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
//开辟num个int大小的内存空间
int* parr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
//malloc返回类型为void*，这里可以进行强制类型转换
//转换成我们需要的类型
//需要判断内存空间是否开辟成功
if (parr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//开辟成功
else
{
//给开辟的空间赋值
int i = 0;
for (i = 0; i < num; i++)
{
*(parr + i) = i;
printf("%d ", *(parr + i));
}
printf("\n");
}
free(parr);//释放动态内存开辟的空间
parr = NULL;//后面会讲解，事实上是避免野指针的发生
return 0;
}
calloc
calloc也是可以用来进行动态内存开辟
解释：
•calloc 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，头文件stdlib.h
• 与函数 malloc 的区别在于 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，并且calloc有两个参数，但是它们的返回情况情况是一样的，我们使用的时候也需要判断内存空间是否开辟成功。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
//开辟num个int大小的内存空间
int* parr = (int*)calloc(num, sizeof(int));
//calloc返回类型为void*，这里可以进行强制类型转换
//转换成我们需要的类型
//需要判断内存空间是否开辟成功
if (parr == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//开辟成功
else
{
//calloc开辟的空间每个字节初始化全部为0
int i = 0;
for (i = 0; i < num; i++)
{
*(parr + i) = i;
printf("%d ", *(parr + i));
}
printf("\n");
}
free(parr);//释放动态内存开辟的空间
parr = NULL;//避免野指针
return 0;
}
这里我们也可以做一个小测试，看看malloc和calloc的区别：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
//开辟num个int大小的内存空间
int* parr1 = (int*)malloc(num * sizeof(int));
int* parr2 = (int*)calloc(num, sizeof(int));
//calloc返回类型为void*，这里可以进行强制类型转换
//转换成我们需要的类型
//需要判断内存空间是否开辟成功
if (parr1 == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
if (parr2 == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//开辟成功
else
{
//calloc开辟的空间每个字节初始化全部为0
//malloc开辟空间初值为随机值
int i = 0;
printf("malloc:\n");
for (i = 0; i < num; i++)
{
printf("%d ", *(parr1 + i));
}
printf("\n");
printf("calloc:\n");
for (i = 0; i < num; i++)
{
printf("%d ", *(parr2 + i));
}
printf("\n");
}
free(parr1);//释放动态内存开辟的空间
free(parr2);
parr1 = parr2 = NULL;//避免野指针
return 0;
}
calloc开辟的空间每个字节初始化全部为0，而malloc开辟空间初值为随机值 。 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。
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，有时候我们觉得申请的空间过大了，为了合理的使用 内存，我们会对内存的大小做灵活的调整。
realloc 函数就可以调整动态开辟内存大小 头文件：stdlib.h
解释：
• ptr 是要调整的内存地址 • size 调整之后新的大小 • 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 ：原有空间之后有足够大的空间
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，返回的地址就是原来内存地址的起始位置。
情况2 ：原有空间之后没有足够大的空间
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函数的使用也就要注意⼀些！
//代码1 - 直接将realloc的返回值放到parr中
parr = (int*)realloc(parr, 20 * sizeof(int));
如果我们这样将realloc的返回值放到parr中，编译器就会报出警告，这是因为parr可能没有新开辟空间成功，就会返回NULL，再给parr，那么就会导致原来的数据缺失， 造成内存泄漏。
正确写法：
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在temp中，不为NULL，在放parr中
int* temp = (int*)realloc(parr, 20 * sizeof(int));
if (temp != NULL)
{
parr = temp;
}简单使用：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* parr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (parr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
else
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(parr + i) = i;
printf("%d ", *(parr + i));
}
printf("\n");
}
///代码1 - 直接将realloc的返回值放到parr中
//错误写法
//parr = (int*)realloc(parr, 20 * sizeof(int));
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在temp中，不为NULL，在放parr中
int* temp = (int*)realloc(parr, 20 * sizeof(int));
if (temp != NULL)
{
parr = temp;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 20; i++)
{
*(parr + i) = i;
printf("%d ", *(parr + i));
}
printf("\n");
free(parr);
parr = NULL;
return 0;
}
常见的动态内存的错误
对NULL指针的解引用操作
void test()
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
所以在使用的时候我们首先要判断空间是否开辟成功，不可以对NULL指针进行解引用操作。
正确代码：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");//显示错误
exit(1);//退出程序
}
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
p = NULL;
}
对动态开辟空间的越界访问
//越界访问
void test()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//开辟10个整型大小的空间
if (NULL == p)
{
perror("malloc");
exit(1);
}
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
p = NULL;
}
代码退出为3，只开辟了10个整型大小的空间，数组下标从0开始，当下标是10，很明显是越界访问，所以使用的时候要特别注意开辟内存空间的大小。
对非动态开辟内存使用free释放
//对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int* p = NULL;
int a = 10;
p = &a;
free(p);
//p不是动态内存开辟的
}
我们可以看到对不是动态内存开辟的空间是不可以使用free进行释放的。
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
void test()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
这一种行为也是不被允许的，free应该释放掉动态内存开辟的所有部分，我们使用的时候需要特别注意。
对同⼀块动态内存多次释放
//对同一块动态内存开辟的空间进行重复释放
void test()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
free(p);
free(p);//重复释放
}
动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
// 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int* p = (int*)malloc(sizeof(int));
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
//调用了test函数进行了动态内存开辟
//但是没有进行释放
}忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
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！！！
动态内存相关题目分析
题目一
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
我们可以看到这一段代码是有问题的，程序崩溃了，并且没有输出内容。这是为什么呢？
我们一起来分析分析，首先指针变量str最开始给的是NULL，希望通过GetMemory函数获得一块内存空间，在GetMemory函数中，动态申请空间给p，事实上，str和p指向的不是同一块内存空间，想把"hello world"复制到str中，str在函数调用以后依然是NULL，所以不能对空指针进行解引用，发生错误，除此之外，这里的代码还没有对动态申请的空间进行释放，这也是存在问题的，会导致内存泄漏的问题。
总结： 1.对空指针进行解引用 2.没有对动态申请的空间进行释放，会导致内存泄漏的问题。
修改：
1.
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
//操作的是同一个地址
}
void test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);//指针变量传地址
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);//动态申请内存空间进行释放
str = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
2.
char* GetMemory()
{
char* p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();//str得到一块内存空间
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);//动态申请内存空间进行释放
str = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
两种修改方式都可以达到我们想要的效果。
题目二
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
test();
return 0;
}
这一段代码也没有达到我们想要的效果，打印的是乱码，说明是存在问题的。
我们一起来分析分析：这里面进入GetMemory函数，函数里面创建了一个字符数据，这里p就是函数内部的局部变量，存放在内存的栈区，当函数调用结束，这一块地址相应的内容就会被销毁，还给操作系统，操作系统存放其他数据，是随机的，也就出现了乱码。
题目三
void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
这一段代码乍一看，看起来没有什么问题，传str地址，调用GetMemory函数，开辟100字节大小的空间，事实上，这一段代码存在的问题就是没有对动态开辟的内存进行释放，存在内存泄漏的问题。
正确代码：
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;
}题目四
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;
}
这一段代码又有什么问题呢？
这一段代码的主要问题是str没有及时置为空，str成为野指针，指向一块内存空间，后面再次使用strcpy就造成了非法访问，所以使用free释放动态内存开辟的空间时，要将相应的指针及时置为空，同时更好的修改代码，在malloc之后要判断是否创建空间成功。
修改：
//修改
void test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
if (str == NULL)
{
perror("malloc");
exit(1);//创建失败退出程序
}
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//printf("world");
free(str);//str及时置为空，避免str成为野指针
str = NULL;
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
test();
return 0;
}
柔性数组
定义
C99 中，结构中的最后⼀个元素允许是未知大小的数组，叫做『柔性数组』成员
例：
//柔性数组
struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
};
//一些编译器可能报错，可以改成：
struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
};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("%zd\n", sizeof(type_a));//输出的是4
return 0;
}
使用
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//代码1：
int main()
{
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
exit(1);
}
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i;
printf("%5d ", p->a[i]);
}
free(p);
return 0;
}柔性数组成员a相当于获得100个整型元素的连续空间
优势
实现上面的功能，我们也可以使用下面的代码：
//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int* p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
exit(1);
}
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
if (p->p_a == NULL)
{
perror("malloc");
exit(1);
}
//业务处理
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
printf("%5d", p->p_a[i]);
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}它们可以达到同样的效果，那么使用第一段代码有什么优势呢？
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给释放掉。
第二个好处是：有利于提高访问速度. 连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。
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， 也就是动态内存开辟的空间，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。
腾讯云开发者
