?? ?上期結束了【結構體內存對齊】，這期我們來學習C語言中非常重要的內容之一【動態內存管理】，學完這期，我相信你對動態內存分配會有更深的理解~話不多說，我們直接進入本期主題！

一、為什么存在動態內存的分配

我們已經掌握的內存開辟方式有：

int a = 20;//在?？臻g上開辟四個字節
char arr[10] = { 0 };//在?？臻g上開辟10個字節的連續空間

但是上述開辟空間的方式有兩個特點：

1.空間開辟大小是固定的。

2.數組在聲明時，必須指定數組的長度，它所需要的內存在編譯時分配。

但是對于空間的需求，不僅僅時上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程序運行的時候才能知道，那數組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。 這時候就只能試試動態存開辟了。

二、動態內存函數的介紹

2.1 malloc和free

C語言提供了一個動態內存開辟的函數：

void* malloc (size_t size);

這個malloc函數向內存申請一塊連續可用的空間，并返回指向這塊空間的指針。

??如果開辟成功，則返回一個指向開辟好空間的指針。

??如果開辟失敗，則返回一個NULL指針，因此malloc的返回值一定要做檢查。

??返回值的類型是void*，所以malloc函數并不知道開辟空間的類型，具體在使用的時候使用者自己來決定。

??如果參數size為0，malloc的行為是標準未定義的，取決于編譯器。

C語言提供了另外一個函數free，專門是用來做動態內存的釋放和回收

函數原型如下：

void free (void* ptr);

?free函數用來釋放動態開辟的內存。

• 怕如果參數 ptr 指向的空間不是動態開辟的，那free函數的行為是未定義的。
• 如果參數 ptr 是NULL指針，則函數什么事都不做。

malloc和free都聲明在 stdlib.h 頭文件中

舉個例子：

int main()
{
	//代碼1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
 
	//代碼2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判斷ptr指針是否為空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + 1) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//釋放ptr所指向的動態內存
	//指針ptr內容還是原來的地址，釋放后防止非法訪問，故置為NULL
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.2 calloc

C語言還提供了一個函數叫calloc，calloc函數也用來動態內存分配。

原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

• 函數的功能是為 num 個大小為 size 的元素開辟一塊空間，并且把空間的每個字節初始化為0。
• 與函數 malloc 的區別只在于 calloc 會在返回地址之前把申請的空間的每個字節初始化全為0。

舉個例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)//判斷p指針是否為空
	{
		//work
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以如何我們對申請的內存空間的內容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函數來完成任務。

2.3 realloc

? ? ? ? realloc 函數的出現讓動態內存管理更加靈活。有時候我們發現過去申請的空間太小了，有時候又會覺得申請的空間過大了，那為了合理的內存，我們一定會對內存的大小做靈活的調整。那 realloc 函數就可以做到對動態開辟內存大小的調整。

函數原型如下：

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

??ptr 是要調整的內存地址。

??size 調整之后新的大小。

??返回值為調整之后內存起始位置。

??這個函數調整原內存空間大小的基礎上，還會將原來內存中的數據移動到新的空間。

??realloc 在調整內存空間時存在兩種情況：

? ? ? ??????a.情況1：原有空間之后有足夠大的空間

? ? ? ? ? ? b.情況2：原有空間之后沒有足夠大的空間

?情況1：要擴展內存就直接在原有內存之后直接追加空間，原來空間的數據不發生變化。

?情況2：原有空間之后沒有足夠多的空間時，擴展的方法是：在堆空間上另找一個合適大小的連續空間來使用。這樣函數返回的是一個新的內存地址。 由于上述的兩種情況，realloc函數的使用就要注意一些。

舉個例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//work
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//擴展容量
 
	//代碼1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
	//這個做法不行，如果申請失敗則返回NULL賦給ptr
 
	//代碼2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常見的動態內存錯誤

3.1 對NULL指針的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX/4);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就會非法訪問
	free(p);
	p == NULL;
}

3.2 對動態開辟空間的越界訪問

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//當i是10的時候越界訪問
	}
	
	free(p);
	p == NULL;
}

3.3 對非動態開辟內存使用free釋放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能對非動態開辟內存使用free
	p == NULL;
}

3.4 對同一塊動態內存多次釋放

void test()
{
	int* p = （int *）malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重復釋放
}

3.5 動態開辟內存忘記釋放（內存泄漏）

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

?忘記釋放不再使用的動態開辟的空間會造成內存泄漏。

?切記：動態開辟的空間一定要釋放，并且正確釋放。

四、幾個經典的筆試題

題目1：

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

?請問運行Test 函數會有什么樣的結果？

??程序崩潰，str是空指針，沒有指向的內存，無法拷貝hello world，訪問內存失敗。

??內存泄漏，沒有free。

題目2：

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

請問運行Test 函數會有什么樣的結果？

??局部數組的內存，除了程序就釋放了。

??返回?？臻g地址的問題。

?題目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);
}

請問運行Test 函數會有什么樣的結果？

??可以打印hello。

??需要加 free(str); str = NULL;

五、C/C++程序的內存開辟

C/C++程序內存分配的幾個區域：

• 棧區（stack）：在執行函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執行結束時這些存儲單元自動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內存容量有限。 棧區主要存放運行函數而分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等。
• 堆區（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS回收 。分配方式類似于鏈表。
• 數據段（靜態區）（static）存放全局變量、靜態數據。程序結束后由系統釋放。
• 代碼段：存放函數體（類成員函數和全局函數）的二進制代碼。

六、柔性數組

也許你從來沒有聽說過柔性數組（flexible array）這個概念，但是它確實是存在的。 C99 中，結構中的最后一個元素允許是未知大小的數組，這就叫做『柔性數組』成員。例如：

struct a
{
	int i;
	int a[0];//柔性數組成員
};

6.1 柔性數組的特點

• 結構中的柔性數組成員前面必須至少一個其他成員。
• sizeof 返回的這種結構大小不包括柔性數組的內存。
• 包含柔性數組成員的結構用malloc ()函數進行內存的動態分配，并且分配的內存應該大于結構的大小，以適應柔性數組的預期大小。

例如：

struct a
{
	int i;
	int arr[0];//柔性數組成員
};
printf("%d\n", sizeof(a));//輸出的是4

6.2 柔性數組的使用

//代碼1
int i = 0;
a* p = (a*)malloc(sizeof(a) + 100 * sizeof(int));
 
//業務處理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->arr[i] = i;
}
free(p);

這樣柔性數組成員arr，相當于獲得了100個整形元素的連續空間。

6.3 柔性數組的優勢

上述的 a 結構也可以設計為：

//代碼2
struct a
{
	int i;
	int* p_a;
};
a* p = malloc(sizeof(a));
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
 
//業務處理
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->p_a[i] = i;
}
 
//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

上述 代碼1 和 代碼2?可以完成同樣的功能，但是 代碼2?的實現有兩個好處：

第一個好處是：如果我們的代碼是在一個給別人用的函數中，你在里面做了二次內存分配，并把整個結構體返回給用戶。用戶調用free可以釋放結構體，但是用戶并不知道這個結構體內的成員也需要free，所以你不能指望用戶來發現這個事。所以，如果我們把結構體的內存以及其成員要的內存一次性分配好了，并返回給用戶一個結構體指針，用戶做一次free就可以把所有的內存也給釋放掉。

第二個好處是：連續的內存有益于提高訪問速度，也有益于減少內存碎片。（其實，我個人覺得也沒多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法來尋址）

總結起來就是：

• 方便內存釋放。
• 提高訪問速度。

?動態內存管理到這里就結束啦，大家一定要動手敲代碼實現一下！有不懂的可以隨時私信我哦！