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一文带你深入浅出C语言动态内存分配
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前言
本文分享一波C语言中动态内存相关知识，由于作者水平有限，难免存在纰漏，读者各取所需即可。
给你点赞，加油加油！ ⭐1. 内存分区（粗略）
如图所示：
可以看出动态内存开辟是在堆区申请的。
⭐2. 为什么存在动态内存分配
在学到这一部分之前，我们掌握的内存开辟方式可能是这样：
- int i;//在栈空间上自动开辟4byte
- char arr[100];//在栈空间上开辟100byte
int i 根据数据类型自动分配内存，char arr[100]则为显式指定分配内存，char占1byte，根据用户设定为100个元素而分配100byte。
上述开辟空间方式有两个特点：
1.空间开辟大小是固定的。
2.数组在声明时，必须指定数组长度，而它所需要的内存在编译时分配。
但是有些时候我们需要的空间大小事先无法准确判断，得在程序运行的时候才能知道，那么上述开辟内存的方式就不能满足需求了。
这个时候就只能试试动态内存开辟了。
⭐3. 动态内存函数
⭐3.1 关于malloc和free
所在头文件：
- void*malloc(size_t size);//参数为申请的内存空间大小,比如参数为20则申请20byte
- void free(void*ptr);//参数为指针，用来释放回收动态内存
⭐3.1.1 malloc()
void* malloc (size_t size);该函数向内存申请一块连续可用的内存空间，并返回这块空间的指针。
如果开辟成功，返回一个指向对应空间的void*指针，需要强制类型转换。
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。
如果开辟不成功，则返回一个NULL指针，因此malloc返回值必须检查。
如果参数为0，则malloc的行为是标准未定义的，得取决于编译器。
开辟的内存如果未初始化的话为垃圾值。
⭐3.1.2 free()
void free (void* ptr);free函数用来释放动态开辟的内存（回收内存）。
free()根据参数指针找到对应动态开辟的内存，回收空间，其实回收的是权限，指针的内容不变，指针仍可以指向那段内存，也就是指针没有真正地被清除，需要手动把指针置为NULL。
如果参数指针指向的空间不是动态开辟的，那么free()的行为就是未定义的。
如果参数指针是NULL指针，则函数什么也不做。
要注意：当程序退出时，系统会自动回收动态内存。
⭐3.1.3 使用示例
- int main()
- {
- int *p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//一般都用sizeof
- //返回值检查
- if(p == NULL)
- {
- perror("Error"); // void perror(const char *str)把一个描述性错误消息输出到标准错误， 首先输出字符串 str，后跟一个冒号，然后是一个空格。所在头文件
。 - return 1; //返回0代表返回正常，返回1就不正常(针对main函数)
- }
- int i = 0;
- for(i = 0; i < 10; i++)//使用动态内存
- {
- p[i] = i + 1;
- }
- //回收内存
- free(p);
- p = NULL;
- return 0;
- }
返回值检查还可以用strerror()函数搭配errno，如果不是main函数的话可以直接用return;结束函数调用。
或者if(p != NULL)然后在块中使用空间，反正p要是为NULL的话就不作为。
⭐3.1.4 可能问题
内存泄露：动态开辟了内存但没有及时释放，也就是申请了内存既不用又不释放。
内存丢失：动态开辟空间的指针在动态内存尚未释放时改变了值,比如：
- int a;
- int *arr = (int *)malloc(10*sizeof(int));
- int *p = &a;
- arr = p;
把p的值赋给arr，导致原先动态开辟的内存的地址丢失，则再也无法找到那块动态内存，也就无法释放内存，使得内存丢失。
⭐3.2 关于calloc()
所在头文件：
void*calloc(size_t num, size_t size);//参数一个是元素个数，另一个是元素所占字节大小函数的功能是为 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。
类同malloc()，不同点有：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。
参数不同。
⭐3.3 关于realloc()
⭐3.3.1 函数介绍
有时我们会发现之前申请的空间太小或太大了不合理，这时我们可以使用realloc()对动态开票内存大小做灵活的调整。
所在头文件：
void*realloc(void*ptr, size_t size);//ptr时要调整的内存地址，size是调整之后新的内存大小返回值为调整之后的内存起始位置。
⭐3.3.2 内存不够要扩大时，有以下三种情况
拓展型：动态开辟的空间后面有足够的空间，则直接将原空间向后拓展，返回地址与原地址相同。
寻新型：动态开辟的空间后面空间不够，则在堆区另外寻找一块合适大小的连续空间开辟内存，将原空间内的数据拷贝到新空间去，并释放回收原空间内存，返回新空间的地址。
NULL型：即无法直接拓展，也找不到合适空间，这时返回NULL指针。
注意：因为有可能返回NULL，所以不要拿原指针来接受realloc()返回值否则可能使得内存丢失！
⭐3.3.3 使用示例
- //malloc()开辟动态内存
- int *p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//一般都用sizeof
- //返回值检查
- if(p == NULL)
- {
- perror("Error"); // void perror(const char *str)把一个描述性错误消息输出到标准错误，首先输出字符串 str，后跟一个冒号，然后是一个空格。所在头文件
。 - return 1;
- }
- //使用开辟的内存
- int i = 0;
- for(i = 0; i < 10; i++)
- {
- p[i] = i + 1;
- }
- //realloc()拓展内存
- int *ptr = (int*)realloc(p, 20*sizeof(int));
- //返回值检查
- if(ptr == NULL)
- {
- perror("Error"); void perror(const char *str)把一个描述性错误消息输出到标准错误，首先输出字符串 str，后跟一个冒号，然后是一个空格。所在头文件
。 - return 0;
- }
- p = ptr;
- //回收内存
- free(p);
- p = NULL;
⭐3.3.4 内存太大要缩小时
在原开辟动态内存空间处从后向前释放内存直至满足内存大小要求。
某些时候，realloc()还可以当成malloc()使用：
int*p = (int*)realloc(NULL, 10*sizeof(int));⭐4. 常见动态内存错误
⭐4.1 对NULL指针的解引用操作
⭐4.1.1 示例
- int main()
- {
- int *p = (int *)malloc(40);
- *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
- free(p);
- p = NULL;
- }
⭐4.1.2 修正
- int main()
- {
- int *p = (int *)malloc(40);
- if(p == NULL)
- {
- printf("%s\n", strerror(errno));
- return 1;
- }
- *p = 20;
- free(p);
- p = NULL;
- return 0;
- }
⭐4.2 对动态开辟空间的越界访问
- int main()
- {
- int i = 0;
- int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
- if(NULL == p)
- {
- return 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;
- }
⭐4.3 对非动态开辟内存使用free释放
- int main()
- {
- int a = 10;
- int *p = &a;
- free(p);//ok?
- }
不行，这里的p指针是在函数内创建的临时变量，是在栈区上开辟内存的，不是在堆区动态开辟的，就不能使用free()释放。
⭐4.4 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(NULL == p)
- {
- return 1;
- }
- int i = 0;
- for(i = 0; i < 10; i++)
- {
- *p = i;
- p++;
- }
- free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
- p = NULL;
- }
此时指针不再指向动态开辟的内存的起始位置，若要释放会出错。
⭐4.5 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
- }
free()是C语言中释放内存的主流函数。他的实质是修改一块内存的标记为"空闲“,仅此而已。既不会清零内存也不会对内存链表做修改，仅仅是修改标记。
如果申请一块内存，释放2次，那么就会导致这块内存的”空闲“标志累加。如果再次申请内存的话，虽然得到一个内存，但是这块内存原生就是“空闲”的，也就是操作系统给你的时候就是未加保护的了，就有可能发生内存踩踏事件。
⭐修正
- void test()
- {
- int *p = (int *)malloc(100);
- free(p);
- p = NULL;
- free(p);//即使再次释放也不会发生什么
- }
所以呢，释放后将指针置为NULL是个好习惯，实际上free释放后原指针就是一个野指针，就像一条野狗，逮人就咬危险的很，对付它的最好方法就是把它拴起来——也就是指针置为NULL。
⭐4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
⭐4.6.1 例1
- void test()
- {
- int *p = (int *)malloc(100);
- if(NULL != p)
- {
- *p = 20;
- }
- }
- int main()
- {
- test();
- return 0;
- }
虽然说p变量会随着函数test的栈帧销毁而销毁，但是动态开辟的内存并没有被释放，同时也无法再释放了，因为找不到了，原来指向那块内存的指针被销毁了，就丢失了它的地址，所以无法释放。
⭐4.6.2 例2
- void test()
- {
- int *p = (int *)malloc(100);
- if(NULL == p)
- {
- return;
- }
- int flag = 0;
- scanf("%d", &flag);
- if(5 == flag)
- return;
- free(p);
- p = NULL;
- }
- int main()
- {
- test();
- return 0;
- }
万一输入的是5就会跳过释放，就会造成内存泄漏。
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。
⭐5. 几个经典的笔试题
⭐5.1 题目一
- void GetMemory(char *p)
- {
- p = (char *)malloc(100);
- }
- int main()
- {
- char *str = NULL;
- GetMemory(str);
- strcpy(str, "hello world");
- printf(str);
- return 0;
- }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
程序能运行，但是打印失败。
⭐5.1.1 主要问题
内存泄露
动态内存开辟了一块空间，把地址交给了p指针，但是p指针是在GetMemory函数中创建的，随着函数栈帧的销毁而销毁，在函数中没有及时释放动态内存，等到该函数调用完以后就再也无法释放了，因为指针已经被销毁，找不到那块内存了，造成了内存泄漏。
传值调用，实参没有改变
看得出来，代码在设计的时候意图用str接收开辟的动态内存块的地址，但是函数传参传的是指针的值，在调用的函数中修改的是另一个新建的指针了，若要修改str的话传参得传地址也就是一个二级指针char**类型的。
访问了零地址
既然str没有被修改到，那么其内容仍是初始值NULL，把它传入函数strcpy中会出错，因为零地址不能被我们访问使用。
⭐5.1.2 修正
- void GetMemory(char **p)
- {
- *p = (char *)malloc(100);
- }
- int main()
- {
- char *str = NULL;
- GetMemory(str);
- strcpy(str, "hello world");
- printf(str);
- free(str);
- str = NULL;
- return 0;
- }
⭐5.2 题目二
- char *GetMemory(void)
- {
- char p[] = "hello world";
- return p;
- }
- int main()
- {
- char *str = NULL;
- str = GetMemory();
- printf(str);
- }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
⭐5.2.1 主要问题
临时变量p数组随函数栈帧的销毁而销毁，所以在调用完GetMemory函数后p数组被销毁，而该数组的地址作为返回值传给了str指针（原来被销毁的数组的内容此时还没变，所谓的销毁只是回收权限，内容是否改变不一定，得看后续是否会占用这块内存以覆盖其内容），再调用printf()函数，就占用了原来开辟给GetMemory函数的空间，所以此时要通过str找到之前的数组并打印的话打印结果就会改变，因为放的内容发生了改变。
⭐5.3 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);
- }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
⭐ 5.3.1 主要问题
内存泄漏
没有及时释放动态开辟的内存，其他方面倒没有问题。
⭐5.4 题目四
- void Test(void)
- {
- char *str = (char *) malloc(100);
- strcpy(str, "hello");
- free(str);
- if(str != NULL)
- {
- strcpy(str, "world");
- printf(str);
- }
- }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
free释放后之前开辟的动态内存块被回收，此时已经没有访问权限，但是str指针的内容没有改变，被回收的内存块的内容也没有改变，strcpy把字符串"world"拷贝到了str所指向空间，造成非法访问。
所以要在释放内存后将指针置为NULL。
⭐6. C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域（粗略了解）：
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。
⭐7. 柔性数组
⭐7.1 柔性数组是什么
也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。
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。
例如：
- typedef struct st_type
- {
- int i;
- int a[0];//柔性数组成员
- }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;
⭐7.2 柔性数组的特点
结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员，也就是说，柔性数组成员总是结构中最后一个成员。
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。
例如：
- typedef struct st_type
- {
- int i;
- int a[0];//柔性数组成员
- }type_a;
- printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
⭐7.3 如何使用柔性数组
例子：
- typedef struct st_type
- {
- int i;
- int a[0];//柔性数组成员
- }type_a;
- int main()
- {
- int i = 0;
- type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
- if(NULL == p)
- {
- return 1;
- }
- //业务处理
- p->i = 100;
- for(i=0; i<100; i++)
- {
- p->a[i] = i;
- }
- free(p);
- p = NULL;
- return 0;
- }
这样一来，柔性数组成员a相当于获得了100个整型元素的连续空间。
⭐7.4 柔性数组的柔性体现在哪
还记得动态内存函数中有一个realloc可以调整动态开辟的内存吗？对于动态内存的调整都是从“尾巴”处开始的，因为把柔性数组作为结构体最后一个成员，那么在调整动态内存大小时，就相当于调整柔性数组的大小。
例如：
- typedef struct st_type
- {
- int i;
- int a[0];//柔性数组成员
- }type_a;
- int main()
- {
- int i = 0;
- type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
- if(NULL == p)
- {
- return 1;
- }
- type_a *ptr = (type_a)*realloc(sizeof(type_a)+80*sizeof(int));
- if(NULL != ptr)
- {
- p = ptr;
- ptr = NULL;
- }
- free(p);
- p = NULL;
- return 0;
- }
⭐7.5 柔性数组的优势
有人可能会想到：结构体最后一个成员不用柔性数组，而是用一个指针存放动态开辟内存的地址，这样行不行呢？
试试看：
- typedef struct st_type
- {
- int i;
- int *p_a;
- }type_a;
- int main()
- {
- type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
- if(NULL == p)
- {
- return 1;
- }
- p->i = 100;
- p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
- if(NULL == p->p_a)
- {
- return 1;
- }
- //业务处理
- for(i=0; i<100; i++)
- {
- p->p_a[i] = i;
- }
- //释放空间
- free(p->p_a);//要先释放指针再释放结构体
- p->p_a = NULL;
- free(p);
- p = NULL;
- return 0;
- }
无论柔性数组还是指针都可以完成同样的功能，但是柔性数组的实现有两个好处：
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，你不能指望用户来发现这个事，这样一来就容易发生内存泄漏。
然而，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
多次开辟动态内存会让内存碎片化。连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。
⭐敬请期待更好的作品吧~
感谢观看，你的支持就是对我最大的鼓励，阁下何不成人之美，点赞收藏关注走一波~ 
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