写在前面

掌握动态内存管理，是我们学习数据结构与算法的利器！也使我们的基本功产生质的飞跃。

在学习之前，我们要明白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

但是上述开辟的方式有两个特点：

1.空间开辟的大小是固定的

2.数组在声明的时候，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，那么数组在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。

正文

1.动态内存函数的介绍

1.1malloc与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了一块连续可用的空间，并返回一个指针。

这个指针是什么呢？

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。

该函数的返回值是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（例如，对返回值进行强制类型转换）

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。

    int* ptr = NULL;
  ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
  if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
  {
    //...
  }

我们用malloc函数申请了一块内存空间，当使用完毕后，我们不想使用这块空间了，我们在怎么处

置它呢？

我们当然是在用完之后还给内存啦，俗话说，有借有还，再借不难。

那么，这时候，C语言给我们提供了另外一个函数free，它就是专门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函数是专门用来释放动态开辟的内存，也就是说，

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。

而且在使用malloc和free之前，别忘记包含函数所在的头文件stdlib.h。

举个例子：

#include<stdlib.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
  int num = 0;
  scanf("%d", &num);
  int arr[num] = { 0 };//变长数组，有些编译器会报错
  int* ptr = NULL;
  ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));//申请了大小为num个4字节的空间
  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;
}

此外，还有非常重要的一点，我们在用free释放掉ptr所指向的内存时，一定要记得把ptr赋值为NULL。

为什么呢？

当free释放掉一块内存后，它已经归还给操作系统，这块内存我们已经没有访问权限了。但是此时ptr依旧指向着这块空间，此时的ptr就相当于野指针。为了避免我们再次使用ptr时不小心访问到这块空间我们就把ptr置为空指针。

思考：

为什么我们定义一个变量或者一个数组后，不需要手动释放这块空间呢？

想要知道原因，我们就不得不简单认识以下内存了

栈区的特点是，当一个变量等出了它所在的区域就自动回收。

堆区却不一样，它不会主动要求归还，除非是整个程序结束。

所以，如果一个程序需要运行几天几个月，而我们不主动回收用过的内存，内存就会被耗尽。

1.2calloc

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);

该函数的功能是为 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。

1.3realloc

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；

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。

基于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

举个例子：

#include<stdlib.h>
#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)//判断是否申请成功
  {
    ptr = p;
  }
  //业务处理
  free(ptr);
  return 0;
}

realloc一定会申请成功吗？并非如此。如果申请失败就会返回空指针，如果我们不加以判断，直接

将返回的空指针赋值给ptr，后面再次使用ptr时，就相当与访问空指针，这当然行不通。

2.常见的动态内存错误

2.1 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);
}

2.2 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);
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
//该行为标准为定义，取决于编译器
}

2.4 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
}

这种行为是错误的。

切记！我们再进行动态内存管理的时候，一定要记得动态内存开辟的起始位置！

正确的做法：

void test()
{
  int* p = (int*)malloc(100);
  int* p1 = p;
  p1++;
  //...
  free(p);
}

2.5 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
}

2.6 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);
}

切记！动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放！

这里只是列举这么多易犯的错误，并不意味着只会出现这几种错误。

千万不要好奇为什么某种做法就行不通呢？或是这种做法有什么后果呢？

统一回答：因为标准定义就是如此，例如free就只能释放动态开辟的内存，并且要从起始位

置开始就好像为什么筷子就是用来吃饭的，不用管它为什么不可以用来砍树。

3. 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初阶C语言之学前必看篇中讲的 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。

4.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。

简而言之，在一个结构体最后面的未指定大小(或者大小为0)的数组就称为柔性数组

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
};

4.1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：

#include<stdio.h>
struct S
{
  int a;
  float f;
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  //打印结构体的大小
  printf("%d\n", sizeof(struct S));//结果为8
  return 0;
}

4.2柔性数组的使用

由于创建一个结构体变量时，并未给最后的柔性数组分配空间（打印结构体的大小已证实），所以，要想使用柔性数组，我们得手动为它开辟空间。

例如：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
struct S
{
  int a;
  float f;
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4);
  if (ps == NULL)
  {
    return 1;
  }
  //...
  //释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了4个整型元素的连续空间。我们就可以像普通数组一样使用它了。

4.3柔性数组的优势

4.3.1.与定长数组相比

定长数组：

struct S
{
  int a;
  float f;
  int arr[10];
};

柔性数组：

struct S
{
  int a;
  float f;
  int arr[];//柔性数组
};

定长数组，顾名思义，它的大小已经固定当我们要存储的数据大于数组大小时，我们还要重新改变大小。当数据大小远小于数组大小时，又会造成空间浪费。

柔性数组，我们可以根据自己实时的需求来调整数组大小，这就是所谓的柔性。

例如：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
struct S
{
  int a;
  float f;
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + sizeof(int) * 4);
  if (ps != NULL)
  {
    return 1;
  }
  //...
  //不够用？调大一些吧
  struct S* ptr = realloc(ps, sizeof(struct S) + sizeof(int) * 100);
  if (ps == NULL)
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    ps = ptr;
  }
  //使用...
  //释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

4.3.2与指针开辟相比

有的同学觉得没有必要使用柔性数组，把数组换成一个指针貌似效果也相同。直接用malloc申请一

块空间并将返回的地址交给这个指针变量就可以了。

事实确实如此，例如：

struct S
{
  int n;
  float s;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (ps == NULL)
    return 1;
  //使用...
  int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
  if (ptr == NULL)
  {
    return 1;
  }
  else
  {
    ps->arr = ptr;
  }
  //使用
  //...
  //调整
  ps->arr=(int*)realloc(ps->arr, 10*sizeof(int));
  //使用...
  //释放
  free(ps->arr);
  ps->arr = NULL;
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

但是，我们注意到，此处进行了两次free。这样的缺点是，更加容易造成内存泄漏。

并且，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。

本章完！

【C/C++】动态内存&柔性数组

目录

写在前面

正文

1.动态内存函数的介绍

1.1malloc与free

1.2calloc

1.3realloc

2.常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

2.2 对动态开辟空间的越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

2.5 对同一块动态内存多次释放

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

3. C/C++程序的内存开辟

4.柔性数组

4.1柔性数组的特点

4.2柔性数组的使用

4.3柔性数组的优势

4.3.1.与定长数组相比

4.3.2与指针开辟相比

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1.动态内存函数的介绍

1.1malloc与free

1.2calloc

1.3realloc

2.常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

2.2 对动态开辟空间的越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

2.5 对同一块动态内存多次释放

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

3. C/C++程序的内存开辟

4.柔性数组

4.1柔性数组的特点

4.2柔性数组的使用

4.3柔性数组的优势

4.3.1.与定长数组相比

4.3.2与指针开辟相比

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