动态内存管理(malloc free calloc realloc)

前言

什么是动态内存？

动态内存

(Dynamic Memory)，使用户能够指定虚拟操作系统启动的RAM容量，并将平台可用的系统内存最大化。

为什么存在动态内存分配？

我们已经掌握的内存开辟方式有 int a = 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：
(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。

动态内存的介绍

(1)malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：malloc我们要了解该函数就需要点开上面的链接去了解

malloc的参数

size_t size是无符号整数，他包括的是字节数量，要开辟多少个字节，就写多少个字节。

malloc的返回值

void*因为他不知道要开辟的空间是什么类型，只知道这个空间是多少个字节，所以用 void*来看他返回值是啥。
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。

首先对于我们的动态内存函数都是与free配对的，因为他向动态申请了空间，在堆中存放数据，如果不释放空间，那么内存空间将一直被占用，程序将会崩溃，所以需要将申请的空间还回去就需要用到free了。

free的参数

void* ptr返回所要释放空间起始位置的指针，就可以释放函数了

freed的返回值

void返回值是void ，就是没有返回值。

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。

#include 
#include
#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//向内存申请40个空间，强制转换为int*类型，
	int* ptr = p;
	//因为最后free传起始位置的地址，后面可能改p
	if (p == NULL)
	//防止是空指针
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)//改变数据
	{
		*ptr = i;
		ptr++;
	}
	free(p);//释放空间
	p = NULL;
	//防止p成空指针
	return 0;
}
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(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：

calloc的参数

size_t num, size_t size都是无符号整数，第二参数是申请空间的类型，而第一个参数就是申请几个该类型。

calloc的返回值

返回值为调整之后的内存起始位置。

calloc的特点

(1)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。
(2)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。

calloc的使用

代码实现：

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		;//使用空间
	}
	free(p);
	//释放空间
	p = NULL;
	return 0;
}

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calloc将申请的空间初始化为0；

(2) realloc

realloc存在的意义

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

realloc的参数

void* ptr, size_t size第二个参数是无符号整数，是需要扩容或者缩小内存的数，而第一个参数就是需要扩容的地址。

realloc的返回值

返回值为调整之后的内存起始位置。

注意的点

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: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。

realloc的用法

#include
#include
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	int i = 0;
	if (ptr != NULL)
	{
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(ptr + i) = i;
		}
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//增加空间
	int* p = (int*)realloc(ptr, 80);
	if (*p != NULL)
	{
		ptr = p;
		//防止p开辟失败，为空指针，让ptr也不能使用。
		p = NULL;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//释放
	free(ptr);
	ptr = NULL;
}
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如果realloc第一个参数是NULL，那么功能就和malloc相同。

下面要学会设计动态通讯录

这个请移步到下篇文章《通讯录》

常见的动态内存错误

我们学会了动态内存函数，但是我们要注意一下他的用法，不然很容易产生错误，请看下面很容易发现的错误，一起来避避坑

(1) 对NULL指针的解引用操作

我们知道对于NULL来说，对空指针解引用会出现问题，程序会崩溃。
看下面代码有什么错误

#include
#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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这个代码是有问题的，我们需要了解，INT_MAX是整型最大值21亿多，非常大，所以动态申请空间会失败，失败返回空指针，而对于空指针解引用，程序会崩溃。是有问题的。

正确的代码

#include
#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
		//退出程序了，用return退出
	}
	else 
	{
		*p = 20;
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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(2) 对动态开辟空间的越界访问

在没有申请的空间去访问此空间，就会产生越界访问，程序就会崩溃。我相信大家肯定知道这是怎么回事，那就看看下面的代码

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//申请10个整型的空间
	if (NULL == p)//防止是空指针
	{
		perror("malloc");
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	//我们知道只申请了10个整型，但是他是从0到10
	//就是11个就会产生越界访问程序就会崩溃。
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
	p = NULL;
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}
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(3) 对非动态开辟内存使用free释放

我们知道动态内存函数(malloc calloc realloc)都必须与free函数配对使用，这些动态内存函数在堆上开辟空间，而free将这些空间还给内存，但是像一些局部变量都是在栈上开辟空间，而用free在释放这些空间，程序还是会崩溃。

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}
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(4) 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

我们知道使用free的时候，传的是动态开辟空间的起始位置，所以能将后面动态开辟的空间能够还给内存，但是如果不是传的起始位置，将中间的某一个位置传给了free,操作系统会崩溃，释放不了内存。

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
	p = NULL;
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}
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(5) 对同一块动态内存多次释放

原本对于一块动态内存开辟的空间，我们释放一次就够了，但是当我们不小心释放了两遍，程序在第二次就找不到该释放哪片空间，程序就会崩溃。

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

	free(p);//重复释放
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}
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我们知道上述代码有问题，重复释放了两次，程序会出问题，崩溃了，但是我们怎么改正呢，在每次释放完空间后，将指针变为空指针，然后free空指针，就会什么事也不干，这样程序就会有问题。

(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);
}
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对于上述代码，我们已经看到没有free,肯定会发生错误，因为这动态开辟函数和free是成对出现。
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

小总结

不是说对于内存开辟函数，就只有上面这些错误，这只是我们常见的错误，希望大家在自己实现代码的时候能够多多总结，让自己的知识储备跟加丰富。

对于动态内存几个经典的笔试题

(1) 题目1

//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
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;
}
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首先这个程序会崩溃，不会进行下去。
我们首先可以看出来，对于GetMemory函数的参数传的是空指针，对于该函数的内部p参数是他的一份临时拷贝，改变p，并不会影响str，只有在函数的参数传的是指针时，才会通过改变地址改变str,所以在用p申请100个字节的动态空间，str还是空指针，而用strcpy字符串拷贝函数时第一个参数时空指针，对空指针进行解引用，这个操作就会引起操作系统的崩溃，并且在动态开辟内存后，在程序结束都没有将将内存释放。

画图解释一下上述操作

看图

那我们怎么修改一下这个错误的程序，我们要将改变p，也会改变str，所以应该传址。还有应该将free空间。

void GetMemory(char** 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;
}
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这样就很好，基本上就没有错误了，这道题的主要问题就是，传值和传址区别，明白这个就能很好的立即，看图解释

(2) 题目2：

//请问运行Test 函数会有什么样的结果
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
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为什们会出现这个结果呢，原因就是在函数当中创建了一个数组，他在进入函数时创建，出函数时销毁，虽然str指的是数组的地址，但是数组再出函数的时候就已经销毁了，不存在这个数组了，知道了地址也没用。所以再打印这个这个数组是，内容就变成随机的了。

(3) 题目3：

//运行Test 函数会有什么样的结果？
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;
}
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会发生内存泄漏，再申请了空间后，没有释放空间，就会造成内存泄漏，所以将填上free函数就好了。

改正：

#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);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
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(4) 题目4：

//运行Test 函数会有什么样的结果？
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;
}
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这里是非法访问，我们在释放完str后，没有将str设为空指针，现在str就是野指针，在对野指针进行引用就是非法访问，就会出现问题。所以修改方案就是将str释放。

柔性数组

(1)什么是柔性数组？(定义)

C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。

(2) 柔性数组的特点：

<1>结构体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。

#include
#include
int main()
{
	//开辟空间
	struct stu* ps = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + sizeof(int) * 4);
	//我们从特点来看，结构体大小不包括柔性数组大小，
	//所以申请动态空间，先将原结构体的大小先申请出来，然后在申请柔性数组的大小
	//像上面代码就是申请了4个整型的大小
	if (ps == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}
	ps->a = 10;
	ps->c = 5.5;
	printf("%d %f\n", ps->a, ps->c);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
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那怎么体现出柔性呢，就是用realloc函数，能够调整数组的大小，能够变大能够变小，这就是他的柔性，请看下面代码。

struct stu* s1 = (struct stu*)realloc(sizeof(struct stu) + sizeof(int) * 10);
	//调整柔性数组的大小
	if (s1 == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = s1;
	}
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(3)柔性数组的优势

<1>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。
<2>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。

总结

对于我们这些知识都非常简单，只要把定义看懂，这些我感觉就会迎刃而解，相信大家只要勤加练习，这些东西都能掌握，让我们一起加油吧。😊😊