动态内存管理那些事:malloc、calloc、realloc、free、柔性数组
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一、为什么存在动态内存分配
在之前我们都是这样开辟空间的：
int i = 20; //在栈空间开辟4个字节
char arr[10] = { 0 }; //在栈空间开辟10个字节的连续空间
特点
1?、开辟的空间大小是固定的
2?、数组在声明的时候，必需包含常量值 (指定数组长度)
小结
以往开辟空间的方式不够灵活，有很大的局限性 (有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道)
所以这篇文章主要了解在内存堆上开辟空间所使用的函数
二、动态内存函数的介绍
malloc和free
这两个函数总是成对出现的，一个开辟内存，一个释放内存，这两个函数的单独使用极有可能会导致程序出错。
动态内存开辟的函数malloc
函数原型 void* malloc (size_t size);
函数说明
- 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
- size_t size表示开辟几个字节大小的空间
- 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。
动态内存释放函数free
函数原型 void free (void* ptr);
函数说明
- -ptr 传过来的是开辟空间的起始地址， 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,如果为空指针什么也不会发生
- 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。 free函数释放内存空间后，并不会将接受开辟空间起始地址的的指针置为空指针
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中，接下来我举一个开辟内存释放内存的例子：
#include
int main()
{
//动态内存开辟的
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//void*
//使用这些空间的时候首先判断空间是否开辟成功
if (p == NULL)
{
perror("main");//如果在main函数里面，开辟空间失败，通过perror函数打印错误信息
return 0;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;//通过指针加减整数的方式赋初值
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));//p[i] --> *(p+i)这两种访问方式等价的，p指向开辟的那块空间的起始地址，
//相当于数组名通过数组名加下标的方式访问访问开辟的空间
}
//回收空间
free(p);///free函数释放P指向的内存空间，但不会把p指针里面地址的内容释放，这可能就会造成，p又通过地址访问之前的内存空间，造成内存非法访问
p = NULL;//所以自己动手把p置为NULL
return 0;
} 这里有几个细节的地方学要注意：
malloc开辟空间后，free函数释放P指向的内存空间，但不会把p指针里面地址的内容释放，这可能就会造成，p又通过地址访问之前的内存空间，造成内存非法访问，所以一定要手动的把把P置为NULL
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。
函数原型如下： void* calloc (size_t num, size_t size); 函数说明：
- 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。
举个例子我们使用calloc开辟10个整形空间的大小
#include
int main()
{
//int*p = (int*)malloc(40);
int* p = calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
return 1;//如果为空直接结束后面的执行
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 打印calloc开辟空间里面的内容如图：
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。
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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，那为了合理地管理内存，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);
函数说明：
- 这个函数可以在原有的其它内存函数开辟空间的基础上，继系管理空间的大小，也可以自己重新开辟一块新的内存空间，开辟空间时不初始化里面的内容。
- ptr 是要调整的内存地址（原内存的起始地址）， size 为调整之后内存空间的新大小 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时，如果原内存空间后面有足够的空间则开辟相应的空间，如果原内存空间后面没有足够的空间可以开辟，就在堆区重新找一块空间开辟内存，之后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
以下面的的代码为例，下图分析两种情况：
情况一：
情况二：
#include
int main()
{
int* p = (int*)calloc(3, sizeof(int));//开辟3个大小的整形空间
if (p == NULL)
{
perror("main");
return 1;
}
//如果这里需要p指向的空间更大，需要6个int的空间
//realloc调整空间
int*ptr = (int*)realloc(p, 6*sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 6; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//回收空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 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。当是情况2 的时候，如果原内存空间后面没有足够的空间可以开辟，就在堆区重新找一块空间开辟内存，之后还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用操作
空指针就是没有任何指向的指针，不能对它进行解引用，加减整数等操作，任何对它的操作都是不和法的，都会造成程序的崩溃。malloc函数在开辟内存失败时，会返回空指针，所以在对malloc函数开辟的空间进行使用之前要判断是否为返回空指针。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10000000000000000);
//开辟失败，返回空指针没有判断就使用
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 6; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
} 对动态开辟空间的越界访问
其实这个很好理解，就像静态的创建10个数组元素，你可不能访问20个元素啊；如下面的代码，malloc动态的开辟了10整形大小的空间，下面使用空间时却访问了40个整形元素，这也是不合法的。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
return 1;
}
int i = 0;
//越界访问
for (i = 0; i < 40; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 对非动态开辟内存使用free释放
通过什么方式创建，就要通过什么方式释放
int main()
{
int arr[10] = { 0 };//栈区
int* p = arr;
//使用
free(p);//使用free释放非动态开辟的空间
p = NULL;
return 0;
}使用free释放一块动态开辟内存的一部分free（p），p一定要指向开辟空间的起始位置，这样才能释放开辟的整块动态空间，如果p因为使用原因进行了移动一定要定义另一个指针记录p的开始指向位置，否则进行的内存释放是局部的内存释放。下面代码中通过指针的移动对空间内容进行了赋值，p发生了移动，但没有记录p的起始位置。
int main()
{
int* p = malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p++ = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}对同一块动态内存多次释放
对于开辟的一块动态空间，一次释放就行，但有时由于程序的复杂，在多个函数里面使用这块空间，也就可能会进行多次释放。
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
//使用
//释放
free(p);
p = NULL;
test（）
{
//释放
free(p);
return 0;
}
}动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
如下p是局部变量,出了这个函数就销毁了，下面的main 函数里面就不能使用了，之后就找不到p原来指向的空间的内容了，下面就不能把这块空间释放掉,造成内存泄漏，时间一长会消耗很多内存，如果服务器里面有内存泄漏，导致这个服务器崩溃。
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)//p是局部变量,出了这个函数就销毁了
{
return;
}
else
{
//使用
}
//一块空间开辟了自己用，用完了一定要记得释放,这里不释放，下面就不能把这块空间释放掉,造成内存泄漏
}
int main()
{
test();//函数调用
//....
return 0;
}几个经典的笔试题
题目一：
首先思考这个代码有哪些问题？？
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;
}这个代码有两个问题：
?1. 对空指针的使用 ? 2. 存在内存泄漏
图示解释
代码修改的两种方法
在函数调用时，传值调用是无法改变实参的大小的，要传地址。
//改1
void GetMemory(char** p)//用二级指针来接收
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);//传一级指针的地址
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
//改:2
//char* GetMemory(char* p)//改变函数的返回值，返回动态开辟空间的起始地址（char*）
//{
// p = (char*)malloc(100);
// return p;
//}
//void Test(void)
//{
// char* str = NULL;
// str = GetMemory(str);
// strcpy(str, "hello world");
// printf(str);//?
// //printf("hello world");//char *p = "hello world";
// free(str);
// str = NULL;
//}
//int main()
//{
// Test();
// return 0;
//}题目二：
?静态开辟的空间是在栈上，栈上开辟的空间出了作用域就销毁了，动态开辟的空间是在堆上开辟的，要么自己手动释放空间，要么程序结束自动释放空间。所以下面的代码，随机打印内存中的一些值，没有达到预想到的效果。
//GetMemory 函数内部创建的数组是在栈区上创建的
//出了函数，p数组的空间就还给了操作系统
//返回的地址是没有实际的意义，如果通过返回的地址，去访问内存就是非法访问内存的
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);//没有返回确定的地址，随机打印内存中的一些值
}题目三
?返回&x是无效的，局部变量返回地址是无效的
int test (void)
{
int x = 10;
return (&x);
}题目四
?开辟空间没有free释放掉
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}题目六
?动态空间开辟好后，free释放开辟的空间，那么维护开辟空间起始位置的指针也应该置为空指针，这是紧紧相连的步骤，不可缺少。虽然free(str)释放了开辟好的空间，但str里面任然存储着开辟空间的起始地址，free不会释放strl里面的内容的，导致非法访问，导致程序错误。
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
//这里可以加上str=NULL就对了
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域如下图： 不同的变量，程序在内存中占有不同的区域，理解他们所在的区域，理解他们的作用域与生命周期，可以帮助我们更好地编写程序。
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。
编译产生的可执行代码（可执行程序）是放在代码段区域的，常量字符串
也是放在代码段里面的。
有了这幅图，我们就可以更好地理解static关键字修饰的局部变量了
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。
柔性数组
柔性数组（flexible array）这个概念我们很少听到，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。我自己对于柔性数组的理解就是，柔性数组是定义在结构体当中的一个成员，它的起始大小为零，在使用过程中，根据情况的需要，通过动态内存开辟函数改变它的大小，达到数组内容改变的效果。
如：
struct S
{
int n;
int arr[];//大小是未知
// int arr[0];//大小是未知,这种柔性数组的写法也对，大小未知，不是柔性数组，这个写法就是非法的
};柔性数组的特点：
- 结构体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。
如下代码进行结构体的大小的计算：
#include
struct s
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct s ));//输出的是4
return 0;
} 下面为柔性数组的简单使用：
代码一
首先数组元素个数为10个,不够时再动态的开辟为20个
#include
struct S
{
int n;//4
int arr[0];//大小是未知
};
int main()
{
//期望arr的大小是10个整形
struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
ps->n = 10;
int i = 0;
//使用柔性数组
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//增加数组元素个数
struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+20*sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
ps = ptr;
}
//使用和上面的一样
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
} 可能有老铁觉得，柔性数组的存在是多余的，没有柔性数组，我也可以可以创建一个结构体的数组成员，实现动态的变化，那我们通过下面的代码简单的来分析一下吧，我们不使用柔性数组，实现上面柔性数组的功能，对比一下
代码二
#include
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
return 1;
ps->n = 10;
ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (ps->arr == NULL)
return 1;
//使用数组
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//增加
int*ptr = realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
ps->arr = ptr;
}
//使用和上面的一样只是数组元素改变
//释放
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
} 通过以上代码和图示分析，为了实现柔性数组的功能，我们通过上面的代码会存在如下的问题：
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：方便内存释放包含柔性数组的空间开辟只需要一次malloc,不包含的需要两次malloc,两次free释放内存
第二个好处是：再由空间局部性原理可知，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。多次开辟堆上面的空间，导致堆空间残留许多未被利用的内存块（内存碎片），占用内存，影响程序运行。