【C语言进阶学习笔记】五 动态内存分配（爆肝吐血力作 强烈建议收藏！！！）

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。

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。

（我的废话：在学习的时候如果可以多多思考，联系不同的知识点，当将这些内容串起来时，可以形成一个比较宏观、整体的角度。更进一步，如果我们能够从中找到乐趣就更好了！现在我们进入正题吧！）

全文结构：

文章目录

前言一、寻根问底什么是动态内存分配 / 管理？为什么需要动态内存分配？怎么建立动态内存分配？ 二、动态内存函数mallocfreecallocrealloc 三、常见的动态内存错误1）对空指针NULL的解引用操作2）对动态开辟空间的越界访问3）对非动态开辟内存使用 free 释放4）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分5）对同一块动态内存的多次释放6）动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露） 四、柔性数组

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？

实际编程中，不仅需要大小固定的内存空间，往往还需要大小可变的内存空间。

比如说如果我们要建立一个通讯录，用来存放相关信息（姓名、性别、年龄、电话等），这种复杂的数据，我们知道要用结构体类型来存储，而且要用结构体数组来存，但是问题是“这个数组的大小应该多大呢？”

这个问题确实不好回答，如果长度给小了，那么就会导致数据溢出，进而引发程序崩溃。

如果给大了，又会导致存储空间大量浪费，空间利用率低。

为了解决这一类问题，就出现了动态内存分配，内存空间按需索取，要多少给多少！

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

函数原型：void * malloc(size_t size);

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。

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

函数原型：void free(void* p)

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。

现在来看一下实际的使用：

#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;}

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；

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。

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

函数原型：void * calloc(size_t num, size_t size);

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O

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* 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;}

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);

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

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;}//业务处理//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("raalloc failed!\n");return 0;}ptr = p;//业务处理free(ptr);ptr = 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

void test(){//int* p = NULL;int* p = (int*)malloc(INT_MAX);*p = 20;//如果p的值为NULL，就会出问题free(p);}

2）对动态开辟空间的越界访问

当I = 10时越界访问

3）对非动态开辟内存使用 free 释放

4）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

5）对同一块动态内存的多次释放

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;}

四、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）

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[];//还可以写成这样 int arr[0];};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));return 0;}

动态开辟内存分布情况如图：

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。

完整的代码：

#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));ps->n = 10;int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i;}//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};

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，有兴趣的同学可自行查找资料！）

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