C语言——动态内存管理详解（内存结构、动态内存函数、易错题、柔性数组）

本篇概要

本篇文章从基本出发讲述为什么要存在动态内存分配，动态内存函数有哪些，常见的动态内存错误，一些关于内存分配的练习题以及柔性数组的相关知识。

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1.为什么存在动态内存分配

1.1为什么要动态分配内存

平时我们创建内存如下：

int a = 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缺点：

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

1.2内存结构

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。

2.常用的动态内存函数

2.1malloc函数

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。
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。

使用格式：

void* malloc (size_t size);
int* p = malloc(10 * sizeof(int));

2.2calloc函数

这个函数的功能如下：
1.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 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。

使用格式：

void* calloc (size_t num, size_t size);
int* p = calloc(10, sizeof(int));

2.3calloc函数与malloc的区别

**

malloc没有初始化，malloc函数申请好空间后，不会将空间初始化。

**

int main()
{int* p = malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

**

calloc有初始化，calloc函数申请好空间后，会将空间初始化为0。

**

int main()
{int* p = calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

3.其他动态内存函数

3.1 realloc函数

1.realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
2.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。

通俗的说，也就是刚开始分配的空间不够时，可以使用relloc函数重新调整空间。

使用格式：

void* realloc (void* ptr, size_t size);
int* ptr = (int*)realloc(p, 2000*sizeof(int));

1.ptr 是要调整的内存地址
2.size 调整之后新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置。
4.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。

提示：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。

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情况2：原有空间之后没有足够大的空间

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。

提示： realloc(NULL,40)==malloc(40)

3.2 free函数

C语言提供了另外一个函数free，free函数用来释放动态开辟的内存。
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。

使用格式：

void free (void* ptr);
free(p);

4.常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{int *p = (int*)malloc(40);//不做返回值判断，就可能使用NULL指针，解引用*p = 20;free(p);return 0;
}

不做返回值判断，就可能使用NULL指针，解引用就会出问题。
所以我们一定要像上面的代码一样去判断是否为空指针

if (p == NULL)
{
perror(“calloc”);
return 1;
}

4.2 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);
}

当i是10的时候越界访问

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);
p=NULL;
}

a是在栈上申请的，没有使用malloc和calloc使用free程序会崩溃。

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* p = calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*p = i;p++;}//0 1 2 3 4 0 0 0 0 0 free(p);p = NULL;return 0;
}

当指针指向第六个元素即4后面的0时，突然释放内存，程序会崩溃。
释放内存，p必须指向起始位置。

4.5 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
}

重复释放，程序会崩溃。

但是在第一个free§后面另p为空指针，那么后面再free§就不会出现问题。所以我们要养成好习惯，释放完内存将其置空。

4.6 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，电脑资源被浪费。

5.几个经典的动态内存笔试题

5.1 题目一

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

这段代码有两个问题：
1.GetMemory函数结束后，因为没有free，所以开辟的空间还在，但是p没了（p是个形式参数），后面找不到开辟空间的地址了，内存泄露。
2.GetMemory(str)后，str为一个空指针，strcpy(str, “hello world”);是对空指针的解引用。

5.2 题目二

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

GetMemory中创建了一个数组，数组p指向"hello world"的首元素地址，当函数return p后，数组中的"hello world"消失了，但是仍然指向那个首元素的地址，这时候str是野指针。printf(str);非法访问内存。

5.3 题目三

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}

这段代码没有free释放内存。

5.4 题目四

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}

free(str);过后内存释放，hello没了，但是str依然指向刚才hello的首元素地址，这是str不算是NULL，因为它依然指向一个地址，然后进入if语句时，strcpy时就是一个野指针了。非法访问内存。

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。

例如：

struct S
{
char c;
int i;
int arr[0];
}

这便是一个柔性数组，int arr[0];未知大小的数组即柔性数组。

6.1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。
2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
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。

struct S
{char c;int i;int arr[0];//未知大小的数组 - 柔性数组成员
};int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct S));
return 0;
}

此代码输出该结构体的大小为8，为什么是8呢因为涉及到结构体的内存对齐，不熟悉这一部分的人可以看我之前写过的博客：
链接: 结构体知识点-1.5是内存对齐

①从而没有计算arr[0]的大小，体现了第二点。
②这也侧面反映了第一点，因为前面如果没有的话，结构体大小就为0了，会出现问题。
③至于第三点，虽然结构体大小为8字节，但是开辟空间会开辟更大的空间，比如8+12个字节，后面的12个字节是为arr[0]预留的。

6.1柔性数组的使用及优势

struct S
{char c;//1//3int i;//4int arr[0];//未知大小的数组 - 柔性数组成员
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20);if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->c = 'w';ps->i = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){ps->arr[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//空间不够了struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+40);if (ptr != NULL){ps = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}//增容成功后，继续使用//释放free(ps);ps = NULL;return 0;
}

我们可以看出此代码开始后面的20个字节是放arr[]中的5个整形数据，要是如果我么还想继续放arr[]中的数据，那么我们就可以直接使用realloc进行调整，将为arr准备的20个字节增大为40个字节，十分方便。

那么柔性数组的优势怎么体现呢？我们再来看一段代码：

struct S
{char c;int i;int* data;
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc1");return 1;}ps->c = 'w';ps->i = 100;ps->data = (int*)malloc(20);if (ps->data == NULL){perror("malloc2");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){ps->data[i] = i;}for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", ps->data[i]);}//空间不够了，增容int*ptr = (int*)realloc(ps->data, 40);if (ptr == NULL){perror("realloc");return 1;}else{ps->data = ptr;}//增容成功就使用//...//释放free(ps->data);ps->data = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

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