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⛳前言

现代计算机基本都是基于冯诺伊曼结构体系设计出来的，冯诺伊曼结构体系的核心就是“存储程序”，将程序（指令集）和数据以同等地位存储在内存中。但是我们的内存空间并不是无限大的，所以为了高效的利用好内存空间，操作系统会对这些内存空间进行相应的分区，不同区域的内存有其对应的功能和使用方式。

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比如局部变量、函数形参通常是存储在栈区的，这部分内存空间的特点就是临时使用，用完即释放（当然这个都是由操作系统自动完成的，不需要程序员的干预）； 再比如全局变量通常存放在静态区，此外由static修饰的局部变量也会放到静态区（所以static修饰局部变量，本质上是改变了其存储的位置，从栈区-- > 静态区），这部分内存空间就是生命周期很长，长到整个程序运行结束； 再例如我们使用的常量字符串，会被保存到常量区，这部分内存区域的特点就是类似于“常量”，不可被修改，相当于添加了一个“const”的buff。

进入正题

思维导图：

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⌛一、寻根问底

什么是动态内存分配 / 管理？

由程序员根据实际编程需要向操作系统申请，在堆区上开辟的，供程序员操作使用和维护的内存空间，程序员的游乐园！通常是一些临时用到的数据或者变量，随时开辟，用完随时释放，而不必等到函数结束后由操作系统回收！

为什么需要动态内存分配？

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。

怎么建立动态内存分配？

通过系统提供的4个库函数实现，malloc\calloc\realloc\free，这四个函数后面我们会详细介绍。

⌚二、动态内存函数

注意：以下说的四个函数的头文件均为：stdlib.h

malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void * malloc(size_t size);

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size_t就是unsigned int（无符号整型）

这个函数的作用就是在动态存储区中分配一个长度为size个字节的连续空间，并返回指向该空间的指针。

1）如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。 2）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。 3）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。 4）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。

示例

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
	//向内存申请十个整形空间，返回空间的起始地址
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));

	if (p == NULL)
	{
		//打印错误原因的一个方式
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	else
	{
		//正常使用空间
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	return 0;
}

动态开辟的空间如何释放和回收呢？ C语言提供了一个专门完成这个功能的库函数-- - free

free

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：

void free(void* p)

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free的作用就是释放指针变量p所指向的动态空间，使这部分空间能够重新被利用。

1）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。

2）如果参数 ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

看一下实际的使用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//1.通过动态开辟申请10个int类型的空间
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//通常结合sizeof一起使用
	//根据实际使用强制类型转换为想要的类型
	//2.malloc有可能申请空间失败，所以需要判断一下
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");//perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因）
		return 0;//出错就直接结束函数
	}
	//3.使用 给这10个整型空间赋值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	//打印一下
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);//这里可以直接使用数组下标的形式，和指针解引用是一样的
	}
	//4.释放
	free(ptr);
	ptr = NULL;//需要手动置为NULL，防止非法访问
	return 0;
}

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注意： 用malloc申请的空间，里面的内容是随机值，如果不初始化的话，可能就会得到一些意想不到的值；

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理解：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。

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为什么要进行动态内存的释放和回收？

内存空间是有限的，如果我们每次在使用的时候只是一味的向申请空间，即使空间再大，也会被用完，而且如果使用的空间不释放会导致电脑越来越卡，程序运行越来越慢！

那释放之后为什么要手动将指针赋值为NULL（空指针）呢？

举一个生活中的例子吧，假设有一个男生跟他女朋友分手了，如果这个男生还一直保留这个女生的电话、微信，更有甚者，还有这个女生家里面的钥匙。如果你是这个女生的话，你希望他仍然保留这些信息和物品吗？你肯定是不想对吧，指不定哪一天他不高兴或者其它原因就来骚扰你。（所以才会有一句话叫做情侣分手千万不要藕断丝连，当然如果你是这个男生的话，你可能还想着以后和好如初，念念不忘，必有回响~haha）。 言归正传，编程中如果指针指向的空间已经被释放了，如果不将其置为NULL，那么其仍然保留这个地方的地址，之后仍然有可能访问到这片空间，这个生活就是非法访问了！

那有没有动态分配函数在申请空间的同时就进行初始化呢 ?

答案当然是有，接下来要结束的calloc就是这样的一个函数

calloc

calloc函数也用来动态内存分配，函数原型：

void * calloc(size_t num, size_t size);

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1）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

2）与函数ma1loc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。

比如刚刚的上面的代码，如果我们将malloc换成calloc，不进行手动初始化：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //int*p = malloc(10*sizeof(int))
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		//perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因）
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

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在内存储存如下：

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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。

光从上面这三个函数的介绍，我们可能并没有深刻体会到**“动态内存分配”的动态体现**在哪，接下来要介绍的函数才是动态内存分配的“灵魂”-- - realloc

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，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那rea1lloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整

函数原型：void * realloc(void* ptr, size_t size);

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1）ptr是要调整的内存地址.size是调整之后新大小

2）返回值为调整之后的内存起始位置

3）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。（这种移动的方式实际上就是复制拷贝，会将原内容复制拷贝到新内存中）

4）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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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，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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		return 0;
	}
	//realloc使用的注意事项：
	//1. 如果p指向的空间之后有足够的内存空间可以追加，则直接追加，后返回p
	//2. 如果p指向的空间之后没有足够的内存空间可以追加，则realloc函数会重新找一个新的内存区域
	//   开辟一块满足需求的空间，并且把原来内存中的数据拷贝回来，释放旧的内存空间
	//   最后返回新开辟的内存空间地址
	//3. 得用一个新的变量来接受realloc函数的返回值
	//进行扩容操作
	int* p = (int*)realloc(ptr, 100 * sizeof(int));
	//注意：不能直接将扩容之后的地址给ptr，因为存在扩容失败的可能，会导致ptr地址丢失
	if (p == NULL)
	{
		printf("realloc failed!\n");
		return 0;
	}
	ptr = p;//返回新地址
	//业务处理
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

⛵三、常见的动态内存错误

1）对空指针NULL的解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = malloc(10 * (sizeof(int)));
	//万一malloc失败了，p就被赋值为空指针（NULL）
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

2）对动态开辟空间的越界访问

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当I = 10时越界访问

3）对非动态开辟内存使用 free 释放

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free一定是释放堆区上的数据

4）对同一块动态内存的多次释放

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5）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

在这里插入图片描述

free要指向开辟好空间的起始位置,防止开辟空间指针的自增自减运算

6）动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	while (1)
	{
		test();
	}
	return 0;
}

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（没停止运行我电脑死机了！！！……）

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

✨四、经典笔试题练习

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);
}
int main()
{
    Test();
	return 0;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

✨ 程序崩溃，无法打印

分析：

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改进方法一：

image-20210827131714942

改进方法二：

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题目2：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";//退出函数时被销毁了
    return p;//虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();//被赋予了随机值
    printf(str);
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

✨str非法访问，程序出错，出现返回栈空间地址的问题

退出函数时被销毁了,虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值

分析：

image-20210827134126370

习题3：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
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;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

✨ 没有释放动态开辟的内存（free），导致内存泄漏

习题4:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str); //提前释放内存，但并不会置空指针
    //str成为了野指针，if语句没有作用
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world"); //前面已经释放内存了，非法访问
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

✨ 提前释放内存，后面strcpy函数非法访问

⏲五、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。

⚾六、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』成员。

其实从名字我们也可以大概知道其含义，“柔性”指柔软的，可变动的，flexible 本就具有灵活的，可变的含义。

举例

struct S
{
	int n;
	int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};

柔性数组的特点∶ 1）结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。（也就是说柔性数组成员不能单独存在） 2）sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。（计算大小的时候，不考虑柔性数组成员的大小）

#include<stdio.h>

struct S
{
	int n;
	int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};

int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct S));
    return 0;
}

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3）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。（也就是包含柔性数组成员的结构体类型在创建变量的时候，需要用动态内存开辟的方式来创建。

原因是：**柔性数组的大小可变，那么其创建出来的结构体变量大小也是可变的，所以需要动态开辟的方式来创建！**）

举例：

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	int arr[];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
};

int main()
{
	//struct S s1;这种方式创建的变量无法正常使用
	//printf("%d\n", sizeof(s1));
	//假设我们期望arr的大小是10个int类型
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));//开辟了arr的空间
	return 0;
}

动态开辟内存分布情况如图：

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正因为空间是动态开辟出来的，如果后续使用的时候，数组arr的空间大小不够了，可以通过realloc去动态调整，体现了其“柔性”的特点。

image-20210827145609918

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};
int main()
{
	//假设我们期望arr的大小是10个int类型
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;//访问并修改arr[]的值
	}
	//调整
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
	ps = ptr;
	//使用
	//.....
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

柔性数组功能的替代方法

用一个指针代替柔性数组成员

struct S
{
	int n;
	//int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
	int* arr;//替换柔性数组
};
int main()
{
    struct S* ps=(struct*)malloc(sizeof(struct S));
    ps->arr=malloc(5*sizeof(int));
    
    int i=0;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        ps-arr[i]=i;
    }
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",ps-arr[i])
    }
    return 0;
}

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如果内存不够，想再次修改如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

struct S
{
    int n;
    //int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
    int* arr;//替换柔性数组
};

int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));//开辟了结构体8个字节的空间（初始空间）
    //两次malloc是为了让ps->arr是动态的，如果ps被系统释放了，arr指向的空间就找不到了
    ps->arr = malloc(5 * sizeof(int));//让arr指向动态开辟的空间

    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        ps -> arr[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("%d ", ps -> arr[i]);
    }
    printf("\n");
    
    //调整内存
    int* ptr = realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));
    if (ptr != NULL)
    {
        ps->arr = ptr;
    }
    for (i = 5; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }

    //释放内存
    free(ps->arr);//先释放里面的
    free(ps);
    return 0;
}

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柔性数组与非柔性数组比较

好处一：方面内存释放 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。

好处二 : 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) （涉及到内存池，局部性原理：空间局部性原理、时间局部性原理。）