c语言分层理解（动态内存分配）

1. 为什么存在动态内存分配？

与数组相比：

1. 数组空间大小是固定的，但是要完成可变内存空间的变化就要用动态内存。
2. 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。动态内存分配不要指定长度，用的时候分配多少空间。

2. 动态内存库函数

2.1 malloc库函数

void* malloc (size_t size);
作用：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。

2.1.1 注意要点

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。所以在使用时候一定要判断开辟空间返回值是否为空指针。

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.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。

2.2 free库函数

void free (void* ptr);
作用：用来释放动态开辟的内存。

2.2.1 注意要点

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。

2.2.2 使用

#include 
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//判断ptr指针是否为空(一定要做的工作）
	if (NULL != ptr)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);
	//这里ptr空间被释放，但是这个指针还是被占用，为了后面指针的使用，
	//把这里返回的指针置为空指针，防止后面使用的指针和这个指针发生冲突
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.3 calloc库函数

void* calloc (size_t num, size_t size);
作用：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。（这里的num代表的是元素个数，这里的size代表的是一个元素的大小）

2.3.1 malloc和calloc库函数的区别

上图可以看出calloc库函数开辟空间会初始化，但是malloc不会。另外malloc和calloc库函数函数参数也不同，malloc直接申请空间，calloc设置空间并设置元素大小。

2.4 realloc库函数

void* realloc (void* ptr, size_t size);
作用：灵活调整申请空间的大小

2.4.1 注意要点

1.指向先前用malloc、calloc或realloc分配的内存块的指针。或者，它可以是一个空指针，在这种情况下分配一个新的块(就像调用malloc一样)。size 调整之后新大小。

2.返回值为调整之后的内存起始位置。

3.这个函数调整原内存空间大小的基础上，可能还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间。

2.4.2 realloc调整内存空间的的两种请况

2.4.2.1 情况一

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。

2.4.2.2 情况二

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。

2.5 realloc库函数使用

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 1;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	printf("\n");
	//增加空间
	//注意这里第一个参数必须是动态内存的指针，不能是固定大小数组名
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用

错误代码展示：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 10;
	free(p);//p为空指针，不能对空指针free
	p = NULL;
	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

错误代码展示：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc：");
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
	 //动态申请的大小是5个整形，这里访问10个，产生越界
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

错误代码展示：

#include 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//释放非动态内存
	return 0;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

错误代码展示：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n",strerror(errno));
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 5; i++)
		{
			*p = i;
			p++;//不是初始位置
		}
	}
	free(p);//error
	p = NULL;
	return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

错误代码展示：

#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
	free(p);
	free(p);//不能多次释放
	p = NULL;
	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

错误代码展示：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 20; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}
	}
	//没有进行释放操作导致内存泄漏
	return 0;
}

4. 几个经典的笔试题

4.1 实例一

4.1.1 源代码

#include 
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;
}

4.1.2 错误分析

4.1.3 错误改进

#include 
#include 
#include 
void GetMemory(char** p)
{
	assert(p);
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.2 实例二

4.2.1 源代码

#include 
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.2.2 错误分析

4.3 实例三

4.3.1 原代码

#include 
#include 
#include 
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;
}

4.3.2 错误分析

4.3.3 改进

#include 
#include 
#include 
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	assert(str);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.4 实例四

4.4.1 源代码

#include 
#include 
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;
}

4.4.2 错误分析