C语言 -- 动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟放式有：

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整。

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。
C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2. malloc 和 free

2.1 malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：

当我们用void * 指针接收的时候，这就完蛋了，void * 的指针不能++，或者- -，不能对她解引用操作。
虽然malloc函数不知道存放什么类型的数据，但是我们自己在申请内存空间的时候大概想好要存放什么类型的数据。对于整形数据的访问使用，是不是用整形指针最合适了，因为整形指针解引用访问4个字节，+1跳过4个字节，这是在合适不过的了。因此我们一般使用的时候一般会把它强制转换成 int *,然后直接赋值给一个int *的指针变量。
如下：

这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间，并把这块空间的起始位置的地址返回来。

• 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。

如果malloc申请的空间不放值，直接打印会产生随机值。malloc 只负责帮你申请块空间，但是他里面的值是随机的（未知的）。

注意： malloc 申请的空间在内存的堆区。

2.2 free

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，函数原型如下：

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。

malloc和free都声明在 stdlib.h头文件中。
测试代码如下：

free函数是没有能力把p置为空的，站在free函数这个角度，free你要给它传个指针，free函数参数是一个指针变量，你要给它传，传的也是指针变量，把p传给ptr,
这叫值传递，ptr就是p的一份临时拷贝，在free函数内部，对ptr的修改是不会影响外面的p,所以它并没有能力把p置为空，只能手动置为空。想象一下，free函数内部如果想要把这个参数，外边传给他们的这个参数p置为空的话，你应该传p的地址过去才可以。

3. calloc 和 realloc

3.1 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：

• 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。
• 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.

测试代码如下：

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。

3.2 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，那为了合理的使用内存，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。

函数原型如下：

• ptr ：要调整的内存空间的起始地址
• size ：要申请内存块的大小，单位字节
• 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.情况1：原有空间之后没有足够大的空间
  2.情况2：原有空间之后有足够的空间

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
测试代码如下：

调试代码：

realloc 该函数除了能够调整空间之外，他还能实现和malloc一样的功能。

4. 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

下面是正确写法：

4.2 对动态开辟空间的越界访问

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

上面这种写法会导致程序崩溃。

上面这个程序结束以后，申请的空间才被操作系统回收。

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

上面这种写法会导致程序崩溃。

4.5 对同一块动态内存多次释放

下面是解决方案：

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

解决方案：

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. 动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1：

请问运行Test函数会有什么样的结果？
程序会崩溃。
代码解析：

上面代码存在三个问题如下：

下面是改正上面代码：
方法一：

方法二：

5.2 题目2：

典型的返回栈空间地址的问题

请问运行Test函数会有什么样的结果？

代码解析：

解决方案：

下面也是一个返回栈空间地址的问题

5.3 题⽬3：

请问运行Test函数会有什么样的结果？

上面代码看似没有问题，但是存在内存泄露问题。
改正如下：

5.4 题目4：

代码分析：

上述代码应该在free(str)之后，应该手动把str置为空。

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。

例如：

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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。
• 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：

6.2 柔性数组的使用

6.3 柔性数组的优势

上述的St结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：

扩展阅读：
C语言结构体里的数组和指针

7. 总结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，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。

完