C进阶⚡- 05动态内存管理
我知道的只是 “ 肉随便加 ”和 “ 要加多少加多少 ” 这些词。 ———— 路飞
阶段2目标：
此阶段开始大量刷题，多多参加编程类竞赛，在实战中锻炼编程思维和本领，并且要在不断复习夯实初阶的基础上，刻意地进行编程思维的训练。学无止境！为了精进编程，可以去学习一切为他服务的课程！
目录
本章重点：
一、为什么存在动态内存分配？
二、动态内存函数的介绍
1.malloc函数
2.free函数
3.calloc函数
malloc与calloc的异同：
4.realloc函数 （为了更合理的时候内存）
三、常见动态内存错误
1.对NULL指针的解引用操作
2.对动态开辟空间的越界访问
3.对非动态开辟内存使用free释放
4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
5.对同一块动态内存多次释放
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放
应用：动态通讯录（优化版）
四、经典面试题目
题目1
小知识点
题目2
延伸题目，深入理解
题3
总结：题1题2题3，都属于一类题目，返回栈空间地址的问题。注意栈空间地址不要轻易返回，因为栈出了范围会销毁。
注意：销毁的意思只是指 该栈空间的使用权限还给了操作系统，这块空间仍然存在！！
五、C/C++程序的内存开辟
六、柔性数组
1.什么是柔性数组
2.柔性数组的特点
3.柔性数组的使用
4.柔性数组的优势
总结：相比较而言，用柔性数组优势更多！
本章重点：
1.为什么存在动态内存分配
2.动态内存函数的介绍
- malloc
- free
- calloc
- realloc
3.常见的动态内存错误
4.几个经典的笔试题
5.柔性数组
一、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，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。 这时候就只能用动态内存开辟了。
二、动态内存函数的介绍
我们所知道，我们在堆区实现动态内存分配，利用malloc 、 calloc 、 realloc 、 free函数去进行相应的动态分配操作。如图：
1.malloc函数
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。
- 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。
解释：
1.malloc函数的确官方定义是void* 指针，即：万能型指针。但是我们使用者在使用malloc的时候，需要用具体的类型，来接收，比如：int* 、char*
这样写，在解引用取空间中的值得时候，才不会报错；而如果是void* 去接收，解引用时就会有错误，因为编译器面对void* 该万能型指针，并不清楚去解引用几个字节。
即：在接收时，需要用具体的数据类型来接收malloc的空间。
”错误“ 代码：
int main()
{//int arr[10] = { 0 };void* p = malloc(40);return 0;
}正确代码：
int* p = (int*)malloc(40);2.如果开辟失败，则返回一个NULL指针，即：malloc的返回值一定要做检查。
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//int arr[10] = { 0 };//申请空间int* p = (int*)malloc(40);//开辟了40个字节空间，即：10个int类型空间//判断是否 申请失败if (p == NULL){printf("申请失败！");return -1;}//开辟成功了//（初始化）/(赋值)int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}//释放空间free(p);return 0;
}我们用 *( p + i ) = i;的方式来赋予空间内以初值，用free函数释放掉指针p维护的10个int类型的空间。而我们调试发现，free掉p之后，仅仅是那10个空间被释放掉了，而指针p仍旧是指向那块空间的地址，构成了一个野指针，所以以后就很危险，需要将p=NULL；让程序更安全。
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{//int arr[10] = { 0 };//申请空间int* p = (int*)malloc(40);//开辟了40个字节空间，即：10个int类型空间//判断是否 申请失败if (p == NULL){printf("申请失败！");return -1;}//开辟成功了//（初始化）/(赋值)int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}2.free函数
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 *memblock );
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。
解释：
1.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。
2.如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
假如 p指针并不是malloc来的，那么对于free(p);在C语言中是未定义的，即：free也不知道该怎么办了。
总结：
除非 p 本身等于NULL，否则free以后不会等于NULL。因为free不对指针的值做任何操作，而只是试图改变指针指向的一片连续的存储器空间的状态。如果这片存储器空间是malloc或其它兼容方式（例如POSIX库函数strdup）分配过来的，那么会释放这片空间，释放的空间可以之后再次被分配。如果指针本来就等于NULL，则调用free不会有任何作用。除以上两种情况外（包括再次free已经被free过的非空指针），free的行为是未定义的，比较有可能的是free这个指针进程在某个时刻突然莫名其妙地崩溃。
3.calloc函数
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>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{int* p = calloc(10, sizeof(int));//errno是存储错误信息//用strerror函数返回 错误码所对应的错误信息if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return -1;}//开辟成功了int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}可能对于malloc与calloc有些疑问？什么情况下会开辟失败？？ 当然，内存空间不是无限大的，如果你开辟的过多，就会开辟失败，如：
malloc与calloc的异同：
同：都可以动态分配内存空间
异：
malloc函数仅仅是申请内存空间，并且返回起始地址，并不去初始化；而calloc函数既申请内存空间，并且返回起始地址，又去初始化每个字节为0。
总结：
在应用中，想要初始化就应用calloc，不想初始化就用malloc即可。
4.realloc函数 （为了更合理的时候内存）
（追加增容）
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 );
- ptr 是要调整的内存地址。
- size 是调整之后新大小空间。
- 返回值为调整之后的内存起始位置。（ 起初整个内存的开头 ）
- 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。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
原有空间之后有足够大的空间
原有空间之后没有足够大的空间
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{//calloc，申请空间，并初始化为0int* p = calloc(10, sizeof(int));//errno是存储错误信息//用strerror函数返回 错误码所对应的错误信息if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return -1;}//开辟成功了int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}//空间不够，增加空间至 20个intint* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL){p = ptr;}//以防空指针，造成越界访问，程序崩溃else{return -1;}//给新开辟的空间赋值for (i = 10; i < 20; i++){*(p + i) = i;}//打印for (i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);p = NULL;return 0;
}三、常见动态内存错误
1.对NULL指针的解引用操作
错误写法：
int* p = (int*)malloc(20);*p = 20;//直接这样写，是有风险的！！free(p);改写：
int* p = (int*)malloc(20);if (p == NULL){return -1;}*p = 20;free(p);2.对动态开辟空间的越界访问
错误写法：
int main()
{int* p = (int*)malloc(200);if (p == NULL){return -1;}int i = 0;for (i = 0; i <= 80; i++){*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);p = NULL;return 0;
}改写：
int main()
{//此处的200，不是200个空间，而是200个字节，对应到int类型只是50个空间//而 访问的是0 ~ 80，造成了越界访问int* p = (int*)malloc(200);if (p == NULL){return -1;}int i = 0;for (i = 0; i <= 50/*80*/; i++){*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);p = NULL;return 0;
}3.对非动态开辟内存使用free释放
错误代码：
int main()
{int a = 10;int* p = &a;free(p);p = NULL;return 0;
}该错误在于，变量a在内存的栈区，而free是释放动态内存的，即：对堆区的空间才有用，此时程序会崩溃。
4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
错误代码：
int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){return -1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*p++ = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}错误原因：
p最后指向的不再是起始地址，而free释放就要释放全部（ free的脾气 ）。
5.对同一块动态内存多次释放
错误代码：
int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){return -1;}//使用//...//释放free(p);free(p);p = NULL;return 0;
}对于不属于自己的指针（ 已经释放过了，p不再维护该动态分配的空间了 ），再次进行free(p)，程序就会崩溃； 请思考，这样写对不对呢？
//释放free(p);p = NULL;free(p);p = NULL;这样写，是对的，因为p已经置NULL了，而对于NULL，我们知道，free(BULL)；是没错的，只不过是没有用处的写法罢了！
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
错误代码：
//动态开辟的内存忘记释放
//在堆区申请的空间，有2种方式可以回收
//1.主动free
//2.程序结束时，操作系统会自动回收int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){return -1;}//使用//...//忘记释放了return 0;
}错误原因：
我们在堆区开辟的内存，一直未释放，就会一直存在与堆区，造成内存被占用，对应到后端程序就是，运行变卡；这样一块内存，我们不能够对他进行使用，也没有去释放掉，就造成了 “ 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
应用：动态通讯录（优化版）
四、经典面试题目
题目1
#include<stdio.h>
#include<string.h>
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;
}输出结果是什么？ ———— 程序会崩溃！！！
讲解：
其实，GetMemory(str);传递的是 值 ，所以单向值传递，并没有改变str指针的指向NULL，自然而然 hello world 拷贝不到str中。
更改代码：
将GetMemory(&str);中的str取地址，传递过去；既然str是char*类型，那么&str传递，则用char** 来接收；
在void GetMemory(char** p)中，*p解引用，则取到str指针。
free(str)；释放指针 str = NULL;置空
#include<stdio.h>
#include<string.h>
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;
}当然，还有一种比较鸡肋的写法 （ 价值不大 ）
#include<stdio.h>
#include<string.h>
char* GetMemory()
{char* p = (char*)malloc(100);return p;
}
void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();strcpy(str, "hello world");printf(str);free(str);str = NULL;
}
int main()
{Test();return 0;
}小知识点
printf(p); char* p = "hello world";printf("hello world");printf(p);printf("%s", p);这三种写法都是一样的结果：
大概你可能会疑惑第二种写法，我们拿第一个写法举例，打印的是 hello world ，是因为传进去的其实并不是常量字符串，而是字符串的首地址，即：字符h的地址，然后完成打印。
同样的，我们指针p中存储的也是常量字符串“ hello world ” ，printf(p);自然就是存储字符串的第一个字符h的地址，进而完成字符串的打印。
题目2
#include<stdio.h>
#include<string.h>
char* GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}
void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}
int main()
{Test();return 0;
}输出结果是 乱码.................... 为什么呢？？
类似于宾馆退房
（char* GetMemory(void)中的p是局部变量！ 函数调用完变量就销毁了，虽然返回了p的地址，但是后面再去访问这个地址，已经不是p去维护了，造成了非法访问空间，自然会打印出乱码。）
GetMemory函数栈帧创建完，会销毁，之后str是再找不到那块空间的了。
延伸题目，深入理解
#include<stdio.h>
#include<string.h>
int* Test()
{int n = 10;return &n;
}
int main()
{int* p = Test();printf("%d", *p);return 0;
}讲解：
先创建main函数的函数栈帧，继而创建Test函数的函数栈帧，其中存放变量n = 10，返回的n的地址假设为0x0012ff43，再main函数中用指针p来接收n的地址0x0012ff43；而Test函数的栈帧调用完就会销毁，通过0x0012ff43地址再去访问那块空间，自然会造成非法访问；
当然，编译器有时候并不会很强大——报错。 对于该程序，Test函数的那块函数栈帧被销毁（即：该块空间的使用权限还给了操作系统【这块空间仍然存在，只是权限还回去了】，空间的值可能被覆盖也可能没有被覆盖，具体看是否又创建了栈帧覆盖该区域），再去解引用访问那块空间，就有可能访问的是随机值。
而该程序中，是有可能打印10的。是的，结果当然依旧打印出来也是10，这是因为打印之前，并没有其他的操作来占用这块释放的Test函数的函数栈帧，所以打印出来了10；那如果我这样呢？ ------------- 结果如下：
这是因为，打印了" 嘿嘿 "创建了函数栈帧，覆盖掉了Test函数的栈帧（其实他已经被销毁了）。
题3
#include<stdio.h>
#include<string.h>
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;
}
其实是和上两个题目一个意思。该题中先创建main函数栈帧，然后创建了Test函数栈帧，malloc空间给str指针接收，拷贝hello进去，然后将str释放掉（注意，释放指的是该块空间的使用权限还给了操作系统），但是str仍然是指向malloc出来的那块空间的，只不过空间我们没有权限罢了；str!=NULL成立，而strcpy(str, "world")；想要将world拷贝到str中，但是str指向的空间我们并没有权限在去访问，将 world 拷贝到str属于非法访问
总结：题1题2题3，都属于一类题目，返回栈空间地址的问题。注意栈空间地址不要轻易返回，因为栈出了范围会销毁。
注意：销毁的意思只是指 该栈空间的使用权限还给了操作系统，这块空间仍然存在！！
五、C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。
- 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 （操作系统 operating system ）回收 。分配方式类似于链表。
- 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。
- 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码，常量字符串。
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。
六、柔性数组
1.什么是柔性数组
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：
struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
};有些编译器会报错无法编译可以改成：
struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
};2.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。
解释：
1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
错误写法：
struct st_type
{int a[];
};正确写法：
struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
};2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
};
printf("%d\n", sizeof(st_type));
//输出的是4，
//因为sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存
//所以，仅有i的4字节大小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<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
struct st_type
{int n;int a[0];//柔性数组成员//int a[];//一个意思，不同写法而已，与a[?]无关
};
int main()
{//包含柔性数组成员的结构体的使用，要配了malloc这样的动态内存分配的函数使用//struct st_type st;//sizeof(struct st_type)是计算结构体中，除了柔性数组之外的其他成员的字节大小//10 * sizeof(int)即：开辟10个int类型的空间，作为柔性数组的空间struct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return -1;}//开辟成功ps->n = 6;//初始化int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->a[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->a[i]);}//a数组空间不够用了，想要调整为20个空间struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(ps,sizeof(struct st_type) + 20 * sizeof(int));if (ptr == NULL){printf("开辟空间失败！\n");return -1;}else{ps = ptr;}//使用//...//释放free(ps);ps = NULL;return 0;
}3.柔性数组的使用
见 2.柔性数组的特点的第3点特点。
4.柔性数组的优势
与 2.柔性数组的特点的第3点特点，对比：
未用柔性数组实现
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
struct st_type
{int n;int* a;
};
int main()
{struct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type));//开辟成功ps->n = 100;ps->a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->a[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->a[i]);}//a空间不够用了，想要调整为20个空间int* ptr = (int*)realloc(ps->a, 20 * sizeof(int));if (ptr == NULL){printf("开辟空间失败！\n");return -1;}else{ps->a = ptr;}//使用//...//释放free(ptr);ptr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}
注意，释放的时候，需要两次free。先free(ptr);再free(ps)。
因为如若先free(ps)，那么等会想要再free(ptr)，即：free(ps->a)的时候，已经找不到ps—>a的地址了，自然就完不成free了。
总结：相比较而言，用柔性数组优势更多！
1.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.有利于访问速度，减少内存碎片
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）
而如果是代码2，则内存碎片比较多，空间利用率低。
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