动态内存管理

1. 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 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。 这时候就只能试试动态存开辟了

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

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。（malloc申请到空间后，会直接返回这块空间的初始地址，不会初始化改空间的内容） 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。（该函数返回的类型为void类型，所以我们在使用的时候需要自己进行强制类型转化） 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。

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：

void free (void* ptr);

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

补充一点：free函数的底层设计是：在动态开辟的时候可能会多开辟几个字节来放置开辟空间的大小，方便free进行精确的来释放空间，但是不会暴露给我们。

举个例子：

#include <stdio.h> int main() { //代码1 int num = 0; scanf("%d", &num); int arr[num] = { 0 }; //代码2 int* ptr = NULL; ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int)); if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 { int i = 0; for (i = 0; i < num; i++) { *(ptr + i) = 0； } } free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存 ptr = NULL;//是否有必要？ return 0; }

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。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

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。 举个例子：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); if (NULL != p) { //使用空间 } free(p); p = NULL; return 0; }

所以如何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

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。 函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

如果输入的是空指针，那么这个函数的空指针的功能和malloc一致。

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：

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。

1.开辟新的空间 2.会将旧的空间的数据拷贝到新的空间 3.释放旧的空间 4返回新空间的起始位置

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。 举个例子

#include <stdio.h> int main() { int* ptr = (int*)malloc(100); if (ptr != NULL) { //业务处理 } else { exit(EXIT_FAILURE); } //扩展容量 //代码1 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？) （这样子写的话，如果调整失败，返回空指针，既找不到原来的，也用不到（内存泄漏）） //代码2 int* p = NULL; p = realloc(ptr, 1000); if (p != NULL) { ptr = p; } //业务处理 free(ptr); return 0; }

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

void test() { int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);//我们需要对返回值进行检查 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题 free(p); }

3.2 对动态开辟空间的越界访问

void test() { int i = 0; int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (NULL == p) { exit(EXIT_FAILURE); } for (i = 0; i <= 10; i++) { *(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问 } free(p); }

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test() { int a = 10; int* p = &a; free(p);//ok? }

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test() { int* p = (int*)malloc(100); p++; free(p);//p不再指向动态内存的起始位置（一次释放就直接释放所以） （小心不要让指针跑偏） }

3.5 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（最后释放之后就置NULL） }

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test() { int* p = (int*)malloc(100);//自己不用，别人也用不上，每运行一次就多占用一次内存（会导致内存不够） if (NULL != p) { *p = 20; } } int main() { test(); while (1); }

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

动态申请的内存空间不会因为出了作用域而销毁，两种方法（1.free 2.程序结束）

切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1：

void GetMemory(char* p) { p = (char*)malloc(100); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(str);//这并不是传址调用（函数没有改变str的值） strcpy(str, "hello world"); printf(str); }

空指针：保证与任何对象或函数的指针值都不相等，也就是说空指针不会指向任何地方，它不是任何对象或函数的地址

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

1.对NULL指针进行解引用，程序会崩溃

2.没有释放空间，内存泄漏的问题

4.2 题目2：

char* GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; return p; } void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory();//返回的是临时变量（调用完函数就删除了） printf(str); }

请问运行Test 函数会有什么样的结果？ 属于：返回栈空间地址的问题

4.3 题目3：

void GetMemory(char** p, int num) { *p = (char*)malloc(num); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(&str, 100); strcpy(str, "hello");//忘记释放malloc printf(str); }

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

//非法访问内存（没有申请空间）

4.4 题目4：

void Test(void) { char* str = (char*)malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); if (str != NULL) { strcpy(str, "world");//非法访问内存（没有申请空间） printf(str); } }

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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在《C语言初识》中讲的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。

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;

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。

//code1 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 }

6.2 柔性数组的使用

//代码1 int i = 0; type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int)); //业务处理 p->i = 100; for (i = 0; i < 100; i++) { p->a[i] = i; } free(p);;

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//代码2 typedef struct st_type { int i; int* p_a; }type_a; type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)); p->i = 100; p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int)); //业务处理 for (i = 0; i < 100; i++) { p->p_a[i] = i; } //释放空间 free(p->p_a); p->p_a = NULL; free(p); p = NULL;

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：

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。

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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正 你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）