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为什么存在动态内存分配

一般的开辟空间方式：

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

特点：

空间开辟大小是固定的（数组申明必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配）

但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，由此动态内存开辟就来了

动态内存函数的介绍

malloc和free函数

malloc函数：

作用：

一个用来动态内存开辟的函数（开辟空间单位为字节）

定义：

void* malloc (size_t size);

注意：

这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向该空间的指针
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针，并且所开辟的空间内容都为随机值
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（需要用强制类型转化成所需要的指针类型，便于空间访问）
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

free函数

作用：

专门是用来对动态开辟的内存进行释放和回收

定义：

void free (void* ptr);

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

注： malloc 和 free 都声明在 stdlib.h 头文件中

示例：

#include <stdio.h>
int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};//err
 //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？ 很有必要
 return 0; }

问：为真么free ptr后依旧需要将ptr置为空指针
举个特别的例子：

再问：如果忘记free动态申请的空间地址，会怎么样

如果它在程序中一直没有使用，那么就会导致内存的白白占用（此时不是内存泄漏）

而如果它在程序中没有被free就被指向另一块地址了（或者该被被销毁），那么就会导致这块地址在这个进程中永远无法被找到（即内存泄露：无用的内存越来越大，操作系统得一直给这个进程分配内存）

所以要么主动free，要么只能等进程结束（自动释放内存，不建议）

calloc函数

作用：

同样也是用来开辟动态内存的函数

定义：

void* calloc (size_t num, size_t size);

注意：

第一个参数num开辟空间个数，第二个参数size为每个开辟空间的大小（单位为字节）

对于所开辟的空间会被初始化为0（与 malloc 的唯一区别，即返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0）

示例：

#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; 
}

效果：

realloc函数

作用：

用来调整动态开辟空间的大小（可大可小，更具需求来调整）

定义:

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

注意：

参数 ptr 是要调整的内存地址（一定是动态申请空间的首地址）
size 调整之后新大小（单位为字节）
返回值为调整之后的内存起始位置（同样需要更具需要进行强制类型转化来访问空间）

realloc在调大内存空间时存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间

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
realloc()将返回原指针

情况2：原有空间之后没有足够大的空间

堆空间上找到另一个空间（合适大小的连续空间，足够所要开辟空间的大小）来开辟
同时将原来开辟空间所存有的内存进行拷贝，拷贝后则将原来开辟的空间还给电脑
如果申请成功函数返回的是一个新的内存地址
如果申请开辟失败，则将返回NULL，此时，原来的指针仍然有效

示例：

//扩展容量
#include <stdio.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }

错误申请：

 //代码1
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)

如果申请失败返回NULL，再将ptr赋值为NULL，则原来动态开辟空间地址丢失

正确申请：

 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0; 
 }

常见的动态内存错误

示例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);
}

正确示例：

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
    if(p！=NULL)
    {
       *p = 20; 
    }
    free(p);
    p=NULL;
}

注：对于动态内存开辟一定要考虑开辟失败的情况

示例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)
 {
//开辟失败则结束进程
 exit(EXIT_FAILURE);
 }
 for(i=0; i<=10; i++)
 {
 *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问(非法行为)
 }
 free(p);
 p==NULL;
}

注：越界访问是非法的操作，所以一定要注意范围是否符合

示例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?  
}

注：对非动态开辟的空间free是非法的

示例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
}

注意：

free一定是释放开辟内存的首起始位置
++/–在某些情况下是具有副作用的，如果在上述情况下需要使用的话，可以先保给原地址进行一个备份

示例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
}

注意：

对释放的空间一定要进行及时的置空，并且不能重复释放同一空间，如果及时置空，再次free也只是free空地址，对空地址free不会有任何操作
即使有两个指向同一内存的，也只能free一个，因为释放完之后，原有的内存空间已经释放掉了，再进行释放就是重复释放

示例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);
}

注：在上文中已经提及，养成好习惯一定要free，并且置空

几个经典的笔试题

例题1：

void GetMemory(char *p) {
    p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);//会输出hello world吗？
}

解释：

void GetMemory(char *p) {
    p = (char *)malloc(100);//函数结束p被销毁，并不能将动态开辟空间地址给带出来
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(str);//传入的是str的值即NULL，并非传入str的地址（只有传入str的地址才能修改str指向的对象）
    strcpy(str, "hello world");//strcpy不能对空指针进行拷贝操作，会报错
    printf(str);//空指针打印不出什么
}

例题2：

char *GetMemory(void) {
    char p[] = "hello world";
    return p; 
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);//会打印吗？
}

解释：

char *GetMemory(void) {
//字符数组在栈上开辟
    char p[] = "hello world";
//函数结束，对应开辟的空间会被还给电脑，此时p为悬空指针（对其操作为非法行为）
    return p; 
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);//对悬空指针操作为非法行为
}

例题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);//会打印吗？
}

解释：

void GetMemory(char **p, int num) {
    *p = (char *)malloc(num);//成功修改str指向的对象，能够带回动态开辟的空间地址
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);//成功打印hello
}

例题4：

void Test(void) {
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    if(str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}
//会出现什么结果？

解释：

void Test(void) {
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//free虽然是释放动态内存空间，但str内容不会被修改，也就是说str为悬空指针
//free动态开辟空间，一定要置空（养成好的习惯）
    if(str != NULL)
    {//对悬空指针操作为非法行为
        strcpy(str, "world");
        printf(str);//出错
    }
}

C/C++程序的内存开辟

示例：

int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
int main()
{
  static int staticVar = 1; 
  int localVar = 1;
  int num1[10] = { 1,2,3,4 };
  char char2[] = "abcd";
  char* pChar3 = "abcd";
  int* ptr1 = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
  int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
  int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, 4 * sizeof(int));
  free(ptr1);
  free(ptr3);
  return 0;
}

示图:

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

柔性数组

概念：

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

示例：

//示例1：
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//示例2：
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[];//柔性数组成员
}type_a;

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

柔性数组的使用和优势

柔性数组使用示例：

//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
    int i = 0;
//获得100个整型元素的连续空间
    type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//在原来结构体大小的基础上+需要开辟的柔性数组大小
//业务处理
    p->i = 100;
    for(i=0; i<100; i++) 
    {
        p->a[i] = i; 
    }
        free(p);
        p=NULL；

动态内存开辟使用示例：

//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：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

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特点：

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malloc和free函数

free函数

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常见的动态内存错误

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示例：

C/C++程序内存分配的几个区域：

柔性数组

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