C语言 动态内存分配

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前言

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的空间
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.空间开辟的大小是固定的。
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。有时候我们需要的内存空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编译时开闭空间的方式就不能满足了。这时候我们只能试一试动态内存开辟了。

二、动态内存函数的介绍

1.初识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)

让我们来解读一下malloc函数：

1. malloc()函数是向内存申请一块连续的内存空间
2. malloc()的形参表示要申请内存空间的大小，是一个无符号整型，单位为字节（byte）。
3. malloc()的返回值是一个void*的指针，如果开辟成功，则返回一个指向开辟空间起始地址的指针；如果失败，则返回一个空指针

注意事项：

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好的空间的起始地址的指针。
• 如果开闭失败，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()的行为是标准为定义的，取决于编译器。

C语言还提供了另外一个函数free，是专门用来做动态内存空间的释放和回收的。

void free（void* ptr）;

free函数用来释放动态开辟的内存。
我们解读一下free函数：

1. free()函数的作用：用来释放malloc函数、calloc函数、realloc函数开辟的内存空间
2. free()函数的参数是一个void*的指针，指向的是malloc()函数、calloc()函数开辟的内存空间的起始地址
3. free()函数的返回值为none

注意：

• 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的头文件中。

2.malloc()和free()的简单使用

1. 使用步骤

1.引用头文件stdlib.h
2.使用malloc()开辟内存空间
3.判断malloc()的返回值是否为空指针
4.使用malloc()开辟好的内存空间
5.使用free()释放malloc()开辟的内存空间
6.将指针置为NULL

2.动态内存分配内存图

动态内存分配的空间是在堆区上的，堆区内存管理的特点：

• 第一种情况，动态申请的内存空间，如果不使用，系统不会主动回收，除非主动释放，系统才会将内存空间回收
• 第二种情况，程序运行结束，系统也会将内存空间回收

1. malloc()和free()的简单使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>int main()
{//向内存申请40字节的空间,以整型的形式进行使用和管理int* ptr = (int*)malloc(40);//对malloc返回值进行判断if (NULL == ptr){perror("malloc\n");return 1;}//使用开辟好的内存空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}//释放空间free(ptr);//将指针置为空指针ptr = NULL;return 0;
}

调试看一下使用的结果：

如果不对指针ptr置为NULL的结果：

注意观察，此时虽然free()已经将malloc开辟的内存空间释放掉了，但是指针ptr指向的地址仍然没有改变，会造成野指针的问题。所以用free()释放内存空间后，要将ptr置为空。

有几个点要特别注意

1.使用malloc()后，要对返回值进行判断
2.使用结束后，要用free()对malloc()开辟的内存空间进行释放,最重要的是free()的参数是指向malloc（）开辟内存空间的起始地址
3.内存空间释放后，将指针ptr置为空指针，否则会造成野指针问题。

3.calloc()和free()的简单使用

1. 初识calloc()
   C语言还提供了一个函数calloc()，calloc()函数也用来动态内存分配

void* calloc（size_t num, size_t size ）;

我们来解读一下calloc()函数：

1.calloc()函数向内存申请一块连续的空间，并将内存空间都初始化为0。
2.calloc()参数num表示分配num个元素的空间，size表示每个元素的大小，单位为字节。
3.calloc()函数的返回值为void*类型，如果内存空间开辟成功，则返回开辟的内存空间的起始地址；如果失败，则返回空指针(NULL)。

calloc()和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0。

1. calloc()和free()的简单使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>int main()
{//向内存申请40字节的空间,以整型的形式进行使用和管理int* ptr = (int*)calloc(10 , sizeof(int));//对malloc返回值进行判断if (NULL == ptr){perror("calloc\n");return 1;}//使用开辟好的内存空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}//释放空间free(ptr);//将指针置为空指针ptr = NULL;return 0;
}

calloc()的使用方法和malloc()的使用方法很相似，区别是calloc()的参数形式和malloc()的参数形式书写不同，另一个区别calloc()会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为0，而malloc()只开辟空间，不进行初始化。

4.realloc()和free()的简单使用

1. 初始realloc()

有时候我们会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，那为了合理的申请内存空间，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。realloc()函数就可以做到对动态开辟的内存大小的调整。

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

我们来简单了解一下realloc()函数：

1.realloc()函数的作用是对指针ptr指向的动态开辟的内存空间的大小进行调整。
2.realloc()的参数ptr，指向的是先前用malloc()、calloc()、realloc()开辟的内存空间的起始地址，或者，它可以是一个空指针，在这种情况下分配一个新的块(就像调用malloc一样)。
3.realloc()的参数size，表示调整后内存空间的大小。
4.realloc()的返回值是一个指向重新分配的内存空间的指针，它可以是与ptr相同的，也可以是一个新的位置。此指针的类型为void*，可以将其强制转换为所需的数据指针类型，以便可解引用。（参照下文realloc()开辟空间存在两种情况理解）
5.如果函数分配请求的内存空间失败，则返回空指针，并且参数ptr所指向的内存块没有被释放(它仍然有效，且其内容不变)。

2.realloc()开辟空间存在两种情况

• 情况一：原有空间之后有足够大的空间
  

• 如果原有的内存空间之后有足够大的空间，要扩展内存就直接在原有内存之后追加内存空间，原来空间的数据不会发生变化

• 情况二：原有的空间之后没有足够大的空间
  

如果是情况二的时候，原有空间之后没有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，将原来空间的数据拷贝到新开辟的内存空间中存放，并且将原来的内存空间释放。这样函数返回的是一个新的内存地址。

1. realloc()和free()的简单使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>int main()
{//向内存申请40字节的空间,以整型的形式进行使用和管理int* ptr = (int*)malloc(40);//对malloc返回值进行判断if (NULL == ptr){perror("malloc\n");return 1;}//使用开辟好的内存空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}//对内存空间进行扩容int* p = (int*)realloc(ptr, 80);//当realloc开辟空间失败时，返回的是NULLif (p != NULL){ptr = p;p = NULL;}//对新开辟的空间进行使用for (i = 10; i < 20; i++){*(ptr + i) = i;}//释放空间free(ptr);//将指针置为空指针ptr = NULL;return 0;
}

调试结果：

三、常见的动态内存错误

1.对空指针进行解引用操作

#include<stdio.h>
#include <limits.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX);*p = 5;free(p);p = NULL;return 0;}

调试结果：

因为malloc()开辟空间失败，返回的是一个空指针，*p=5;是对空指针进行解引用操作，引发异常中断。

2. 对动态开辟空间的越界访问

#include<stdio.h>
#include <limits.h>int main()
{int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){perror("malloc");return;}for (i = 0; i <= 10; i++){//当i等于10的时候越界访问了*(p + i) = i; }free(p);p = NULL;return 0;
}

调试结果：

malloc()开辟了10个整型大小的内存空间，当i=10；时 *(p+i)=i 造成越界访问，程序崩溃。

3. 对非动态开辟内存使用free释放

#include<stdio.h>int main()
{int a = 10;int* p = &a;//对动态开辟的内存空间进行释放free(p);p = NULL;return 0;
}

调试结果：

free()函数是对malloc()、calloc()、realloc()动态开辟的内存空间进行释放的函数，变量a并不是动态开辟的内存空间，所以不能使用free()进行释放。

4. 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*p = i;p++;}//此时p指针没有指向动态开辟的内存的起始地址free(p);p = NULL;return 0;
}

调试结果：

free()函数的参数是一个指针，指针指向的是动态开辟内存的起始地址。在for()循环里面，p指向的地址已经发生了改变，不再指向动态开辟内存空间的起始地址，所以free§造成内存泄漏，程序异常中断。

5. 对同一块动态开辟的内存多次释放

#include<stdio.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = i;}free(p);//...free(p);return 0;
}

调试结果：

6. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include<stdio.h>
int* get_memory()
{int* p = (int*)malloc(40);//..return p;
}int main()
{int* ptr = get_memory();return 0;
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

四、指针笔试题

 通过上面的学习，我们对动态内存管理有了初步的认识，让我们一起尝试着做一下以下的几道笔试题
加深对动态内存管理的认识。找出以下代码存在的错误。

1. 题目一

过程分析：

这个题目存在的最大的问题就是对空指针str进行解引用操作；首先创建指针变量str，并将其置为NULL，然后调用GetMemory()函数，并将str的值（NULL）传给了指针变量p，然后调用malloc()函数开辟内存空间，并将起始地址赋值给指针变量p，然后调用strcpy()函数，问题就出现在这里，形参p是实参str的一份临时拷贝，对p赋值并不会改变str的值，str的值仍然为NULL，所以strcpy(str,“hello world”)其实是对空指针的解引用，会导致程序崩溃。第二个问题，没有释放动态开辟的内存空间，指针变量p是局部变量，出了GetMemory()就会被销毁，而malloc()是在堆区开辟的内存空间，（堆区内存空间的释放有两种情况，第一种是调用free()函数主动释放，第二种是程序运行结束，系统自动回收），并不会主动释放动态开辟的内存空间，所以会造成内存泄漏。

修改：

2.题目二

问题：返回野指针。数组p是局部变量，当函数GetMemory()调用结束后就会被销毁，返回的是一个野指针。不能打印出“hello world”。

3. 题目三

存在的问题：没有释放动态开辟的内存空间，造成内存泄漏。

修改：

4. 题目四

存在的问题：非法访问。调用完strcpy()后，调用free()释放动态开辟的内存空间，虽然动态开辟的内存空间被释放了，但是str依然指向之前的地址，造成非法访问。

五、柔性数组

1.什么是柔性数组？

在C99中，构体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。

例如：

//第一种形式
struct S
{int n;float;int arr[];//柔性数组成员
};//第二种形式
struct S
{int n;float;int arr[0];//柔性数组成员
};

2.柔性数组的特点

• 结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员；

例如：

• sizeof计算的这种结构体大小只包含前面所有成员的内存空间的大小（这些成员的内存空间分配遵循结构体内存分配原则），不包括柔性数组的内存空间的大小；

其他结构体成员的内存分配：

• 包含柔性数组成员的结构体用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体的大小，以适应柔性数组的预期大小。

例如：

//代码1
#include<stdio.h>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));//业务处理p->i = 100;for (i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}

2.柔性数组的简单使用

#include<stdio.h>//第一种形式
struct S
{int n;float f;int arr[];//柔性数组成员
};int main()
{//开辟内存空间struct S* ptr = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 4 * sizeof(int));if (ptr == NULL){return 1;}//使用ptr->n = 100;ptr->f = 5.5f;int i = 0;for (i = 0; i < 4; i++){scanf("%d", &(ptr->arr[i]));}printf("%d %f\n", ptr->n, ptr->f);for (i = 0; i < 4; i++){printf("%d ", ptr->arr[i]);}//调整struct S* ps =(struct S*) realloc(ptr, sizeof(struct S) + 4 * sizeof(int));//释放内存空间if (ps == NULL){return 1;}else{ptr = ps;}free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

3.柔性数组的优势

说到这，一定有大神已经想到了其他的方式，那就是将柔性数组改成指针，用指针指向动态开辟的内存空间，一样可以实现柔性数组的功能。
让我们来看看大神是如何实现的：

#include<stdio.h>struct S
{int n;float s;int* arr;
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){return 1;}ps->n = 100;ps->s = 5.5f;int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));if (ptr == NULL){return 1;}else{ps->arr = ptr;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 4; i++){scanf("%d", &(ps->arr[i]));}//调整realloc(ps->arr, 4 * sizeof(int));//打印printf("%d\n", ps->n);printf("%f\n", ps->s);for (i = 0; i < 4; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//释放free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

运行结果：

虽然这个代码也可以实现同样的功能，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，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）

总结

• calloc()函数和malloc()函数都可以实现动态开辟内存空间，但是使用时参数的格式有所区别，calloc()开辟内存空间后，附带初始化的功能，而malloc()只负责开辟空间，没有初始化的功能。

• realloc()的参数中，第一种情况，指针指向的是动态开辟的内存的地址，返回值是传过来的指针指向的内存地址；第二种情况，当指针为NULL时，功能和malloc()一样，可以动态开辟内存空间，返回值是指向新开辟的内存空间的起始地址。

• 动态开辟的内存空间试用结束后一定要free()释放；

如果想要了解结构体内存分配，请参照http://t.csdn.cn/znICL

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