“海压竹枝低复举，风吹山角晦还明。” ——宋·陈与义《观雨》
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后记：●由于作者水平有限，文章难免存在谬误之处，敬请读者斧正，俚语成篇，恳望指教！ ——By 作者：新晓·故知
本章重点
★为什么存在动态内存分配
★动态内存函数的介绍
☛malloc
☛free
☛calloc
☛realloc
★常见的动态内存错误
★几个经典的笔试题
★柔性数组
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。
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举例：
#include <errno.h> #include <string.h> #include <stdlib.h> int main() { //开辟10个整型的空间 //int arr[10]; int* p = (int*)malloc(40); if (NULL == p) { printf("%s\n", strerror(errno)); return 0; } //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; return 0; }
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。
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。
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 头文件中。
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; }
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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。
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malloc与calloc函数异同：
malloc函数不会自动初始化，直接返回地址，效率高。
calloc函数若人为没初始化，会自动初始化为0，再返回地址，效率相较而言低。
根据具体情况合理使用函数，提高代码效率！
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);
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
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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。
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？) //代码2 int*p = NULL; p = realloc(ptr, 1000); if(p != NULL) { ptr = p; } //业务处理 free(ptr); return 0; }
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int main() { //开辟10个整型的空间 //int arr[10]; int* p = (int*)realloc(NULL, 40); if (NULL == p) { printf("%s\n", strerror(errno)); return 0; } //使用 int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", p[i]); } //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
void test() { int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4); *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 }
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 }
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test() { int* p = (int*)malloc(100); 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。
切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
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编辑 注：
在栈上开辟的内存空间，自动创建自动销毁， 进入作用域创建，出作用域销毁，自己维护。而在堆区开辟的内存空间，需要指针进行维护，但要注意指针是否为空以及释放后的指针要置为空指针。
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在释放动态内存空间时，无法做到释放一部分！造成内存泄漏！因此必须将原来的地址保存使用其他指针或者再返回原来的地址！
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分析以下程序：
1.str被值传，p相当于str的临时拷贝，malloc在堆区申请空间，此时p放入了申请空间的地址
，p可以指向其空间，但未对p的合法性（返回值）判断，p是形参，除了作用域，malloc没释放，p被销毁，找不到了开辟的空间，p的改变不影响str，strcpy把“hello world”拷贝放在空指针里，形成了非法访问内存。
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当返回的时候，先把a的值放在寄存器里， 然后再将寄存器里的值返回给m,并不是a存放在寄存器里
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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); strcpy(str, "hello world"); printf(str); }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
4.2 题目2：
char *GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; return p; } void Test(void) { char *str = NULL; str = GetMemory(); printf(str); }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
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"); printf(str); }
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
4.4 题目4：
void Test(void) { char* str = (char*)malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); if (str != NULL) { strcpy(str, "world"); 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
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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;
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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：
//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
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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）
习题：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS #include<stdio.h> #include<string.h> //实现一个函数，可以左旋字符串中的k个字符 //void left_move(char* str, int k) //{ // int i = 0; // for (i = 0; i < k; i++) // { // char tmp = *str; // int len = strlen(str); // int j = 0; // for (j = 0; j < len - 1; j++) // { // *(str + j) = *(str + j + 1); // } // *(str + len - 1) = tmp; // } //} //int main() //{ // char arr[] = "abcdef"; // //abcdef——>cdefab // int k = 0; // scanf("%d" ,&k); // left_move(arr, k); // printf("%s\n", arr); // return 0; //} //解法2： //逆序字符串 //void reverse(char* left, char* right) //{ // while (left < right) // { // char tmp = *left; // *left = *right; // *right = tmp; // left++; // right--; // } //} //void left_move(char* str, int k) //{ // int len = strlen(str); // k %= len; // reverse(str, str + k - 1);//前部分 // reverse(str + k, str + len - 1);//后部分 // reverse(str, str + len - 1);//整体逆序 //} //int main() //{ // char arr[] = "abcdef"; // //abcdef——>cdefab // int k = 0; // scanf("%d", &k); // left_move(arr, k); // printf("%s\n", arr); // return 0; //} //杨氏矩阵 //void find_int_arr(int arr[3][3], int r, int c,int k) //{ // int x = 0; // int y = c-1; // while (y >= 0 && x <=r - 1) // { // if (arr[x][y] < k) // { // x++; // } // else if (arr[x][y] > k) // { // y--; // } // else // { // printf("找到了，下标是：x=%d y=%d\n", x, y); // return; // } // } // printf("找不到\n"); //} //int main() //{ // int arr[3][3] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 }; // // int k = 0; // scanf("%d", &k); // find_int_arr(arr, 3, 3, k); //} //void find_int_arr(int arr[3][3], int *px, int *py, int k) //{ // int x = 0; // int y = *py - 1; // while (y >= 0 && x <= *px - 1) // { // if (arr[x][y] < k) // { // x++; // } // else if (arr[x][y] > k) // { // y--; // } // else // { // //printf("找到了，下标是：x=%d y=%d\n", x, y); // *px = x; // *py = y; // return; // } // } // //printf("找不到\n"); // *px = -1; // *py = -1; //} //int main() //{ // int arr[3][3] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9 }; // // int k = 0; // int x = 3; // int y = 3; // scanf("%d", &k); // //参数是返回型参数 // find_int_arr(arr, &x, &y, k); // if (x == -1 && y == -1) // { // printf("找不到\n"); // } // else // { // printf("找到了，下标是：%d %d\n", x, y); // } // return 0; //} //void left_move(char* str, int k) //{ // int i = 0; // for (i = 0; i < k; i++) // { // char tmp = *str; // int len = strlen(str); // int j = 0; // for (j = 0; j < len - 1; j++) // { // *(str + j) = *(str + j + 1); // } // *(str + len - 1) = tmp; // } //} // //int is_left_move(char* arr1, char* arr2) //{ // int len = strlen(arr1); // int i = 0; // for (i = 0; i < len; i++) // { // left_move(arr1, 1); // if (strcmp(arr1, arr2) == 0) // return 1; // } // return 0; //} //int main() //{ // char arr1[] = "AABCD"; // //ABCDA // //BCDAA // //CDAAB // //DAABC // //AABCD // char arr2[] = "BCDAA"; // //判断arr2是不是arr1旋转得到的 // int ret = is_left_move(arr1, arr2); // printf("%d\n", ret); // return 0; //} //int is_left_move(char* arr1, char* arr2) //{ // int len1 = strlen(arr1); // int len2 = strlen(arr2); // if (len1 != len2) // return 0; // strncat(arr1, arr1, len1); // if (strstr(arr1, arr2)) // return 1; // else // return 0; //} //int main() //{ // char arr1[20] = "AABCD"; // //AABCDAABCD // char arr2[] = "BCDAA"; // //判断arr2是不是arr1旋转得到的 // int ret = is_left_move(arr1, arr2); // printf("%d\n", ret); // return 0; //}
