一篇博客学会系列（3） —— 对动态内存管理的深度讲解以及经典笔试题的深度解析

目录

 动态内存管理

1、为什么存在动态内存管理

2、动态内存函数的介绍

2.1、malloc和free

2.2、calloc

2.3、realloc

3、常见的动态内存错误

3.1、对NULL指针的解引用操作

 3.2、对动态开辟空间的越界访问

3.3、对非动态开辟内存使用free释放

3.4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5、对同一块动态内存多次释放

3.6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4、动态内存的经典笔试题

5、C/C++程序的内存开辟

6、柔性数组

6.1、柔性数组的特点

6.2、柔性数组的使用

6.3、柔性数组的优势

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 动态内存管理

动态内存管理就是对堆区进行管理和操作，本篇博客将带领大家学习在堆区中创建空间、使用空间以及释放空间。

1、为什么存在动态内存管理

常见的内存开辟方式：

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

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。

正因为如此，C语言给了程序员一种权利：能够动态申请和管理内存空间。这时候就需要使用到动
态内存开辟了，而这就是为什么会有动态内存分配的原因，下面我们来一起学习动态内存管理。

2、动态内存函数的介绍

2.1、malloc和free

 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。

• 包含头文件<stdlib.h>
• malloc函数如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
• malloc函数如果开辟失败，例如开辟空间过大时，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查，否则会出现对空指针的解引用操作。
• 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，取决于编译器的处理方式。

【举例说明】

int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}return 0;
}

---

动态内存函数申请的空间 ，都需要手动释放。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。

• free函数用来释放动态开辟的内存
• 包含头文件<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，则函数什么事都不做。

【举例说明】

int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放free(p);p == NULL; //虽然已经free释放了，但是p指针依然指向那个空间，此时p就是野指针了//为了防止再使用p访问该空间，将它置成NULL最为合适。return 0;
}

【运行结果】

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。

• 包含头文件<stdlib.h>
• 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。
• malloc和calloc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。

【举例说明】

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放free(p);p == NULL;return 0;
}

【运行结果】

 

2.3、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。 

• 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：

1. 原有空间之后有足够大的空间
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。将旧空间中的数据拷贝到新的空间中，释放掉旧的空间，然后返回新空间的地址，这样函数返回的是一个新的内存地址。

 【举例说明】

注意：realloc也可能开辟空间失败，失败是返回NULL。因此不能直接将realloc开辟的空间直接赋值给原指针p，因为这样做会导致当realloc开辟失败时p直接被置成NULL了，那么就意味着不但realloc没有调整大小，反而把p原有的内容丢失了。所以此处需要用一个tmp先接收返回值，当判断了 返回值不为NULL时再将tmp赋值给p。

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//空间不够，realloc调整为20个intint* tmp = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (tmp != NULL){p = tmp;}//使用//释放free(p);p == NULL;return 0;
}

3、常见的动态内存错误

3.1、对NULL指针的解引用操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);//不做返回值判断，就可能使用NULL指针*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题free(p);return 0;
}

 3.2、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);return 0;
}

3.3、对非动态开辟内存使用free释放

free只能用于释放malloc、calloc、realloc开辟的空间。

int main()
{int a = 10;int* p = &a;free(p);//错误操作return 0;
}

3.4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

只释放一部分会报错。尽量避免让p自己移动位置，如果非要移动，应该再定义一个指针，让新定义的指针动。

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);p++;free(p);//p不再指向动态内存的起始位置return 0;
}

3.5、对同一块动态内存多次释放

重复释放会导致报错，而为了防止对p进行重复释放，就应该使用free和NULL组合，即free(p); p =  NULL;。当p被置成空指针后再对其进行free不会有任何问题。

因为上文讲解free时说过：free中如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);free(p);//重复释放return 0;
}

【正确做法】

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);p = NULL;free(p);//重复释放return 0;
}

3.6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

在test内使用malloc开辟的空间，在没有free释放之前退出了test，一旦退出了test并且没有通过return带回指针p，那么该空间就永远没有人能找得到了，变成垃圾保存在内存中，造成内存泄漏，这是非常可怕的。

void test()
{int* p = (int*)malloc(40);if (NULL != p){*p = 20;}
}int main()
{test();while (1)//这里表示程序还在一直运行，不会结束，例如服务器{;}return 0;
}

4、动态内存的经典笔试题

以下这些题的原题出自 ：《高质量C/C++编程》

【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;
}

【解析】

程序崩溃，内存泄漏，所以不会打印任何内容。

GetMemory的参数是指针，指针内的内容是NULL，即此时形参p也存放着一个NULL，然后用malloc给p开辟了100字节的空间，将这100个字节的空间的首地址存入p指针中，p就指向了这100个字节的空间。此时GetMemory函数完成操作后并没有free释放空间或者return返回指向空间的地址就退出函数了，那么由p指向的这块空间就存在内存泄漏的问题，因为是值传递这里改变p并不会影响str，此时str仍然是空指针NULL，无法正常进行strcpy操作，发生了程序对NULL的解引用操作，程序崩溃。

【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;
}

【解析】

打印出乱码。

数组开辟在栈区当中，并且在GetMemory内创建，出了GetMemory函数就销毁。当用return返回p时，虽然p指向的地址值被返回了，但是p指向的地址的内容在出了GetMemory函数后已经被销毁，此时str接收到的指针是野指针，而对野指针操作就是非法访问内存。

这类问题统称返回栈空间地址的问题。

 【题目3】

请问运行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;
}

【解析】

可以成功打印hello。

此处GetMemory的参数为传址调用，*p就等于str，因此对*p进行动态内存开辟就等于对str动态内存开辟，所以可以正常打印处hello。但是malloc动态开辟的空间并没有用free释放，存在内存泄漏的风险。

【题目4】 

请问运行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;
}

【解析】

str指向malloc开辟的空间，当使用free释放str，但是并没有对str置空，即str = NULL；，此时str是一个内容不为空的野指针，if(str != NULL)为真，因此会执行if中的strcpy，对野指针进行操作导致非法访问内存，此时程序崩溃，不会执行printf打印语句。

总结 ：需要牢记，free和NULL要配套使用，释放完空间之后立即将指针置空，可以避开很多错误。

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解 static关键字 修饰局部变量的例子了。

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

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。

【举例说明】

struct S
{int i;int a[];//柔性数组成员————未知大小的数组
};

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。

【举例说明】 

struct S
{int i; //int是4个字节int a[];//并没有计算该数组大小
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S));  //结果就为4return 0;
}

到这里也就能理解了为什么 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员，因为如果前面根本没有其他成员，那么sizeof就无法计算出大小。

6.2、柔性数组的使用

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。

【举例说明】 

简单来说就是：如果想要给数组开辟20个字节的空间，那么malloc开辟的时候必须加上其他成员的大小，也就是sizeof(struct S)的大小，即一次开辟了24个字节的空间，前面4个字节供成员 i 使用。

struct S
{int i;int a[];//柔性数组成员
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}free(ps);ps = NULL;return 0;
}

同样的，当开辟的空间不够，使用realloc调整大小时也需要加上其他成员的大小：

int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}//调整大小 20->40struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40);//4+40if (ptr != NULL){ps = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}free(ps);ps = NULL;return 0;
}

6.3、柔性数组的优势

当讲解完柔性数组之后，有读者就会产生疑惑了，这个柔性数组感觉还挺麻烦的，那么它到底有什么优势呢？接下来我就用两段代码比较让大家知道柔性数组的优势。

 【代码1】

使用指针a模拟柔性数组，对指针进行动态开辟。

struct S
{int i;int* a;
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc1");return 1;}ps->a = (int*)malloc(20);if (ps->a == NULL){perror("malloc2");return 1;}//使用//....//释放free(ps->a);ps->a = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

【代码1内存图解】

【代码2】

struct S
{int i;int a[];//柔性数组成员
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}//使用//....//释放free(ps);ps = NULL;return 0;
}

【代码2内存图解】 

上面的【代码1】和【代码2】完成的功能都是一致的，【代码1】就是在不使用柔性数组时要完成该功能的基本写法。

但是我们能看出一些不同：

1. 【代码1】中需要先给结构体动态开辟一块空间，然后再对结构体中的a指针再动态开辟一块空间，这里就使用了两次malloc来动态开辟，增加了代码量。而使用了柔性数组的【代码2】只需要对结构体整体使用malloc动态开辟一次适合的大小即可。
2. 【代码1】中由于malloc开辟了两次空间，因此也需要使用两次free释放空间，并且释放顺序还不能错，必须先释放成员a指向的空间，再释放结构体空间。而【代码2】只需要释放一次。

因此使用柔性数组实现有两个好处： 

1. 方便操作：只需要一次malloc和free就可以把所有内存分配好与释放掉。
2. 减少内存碎片和提高访问速度：如果在内存中频繁开辟空间，内存和内存之间就很容易留下一些缝隙，而这些缝隙又称之为内存碎片，内存碎片越多内存利用率就越低。并且连续的内存有益于提高访问速度。

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