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为什么存在动态内存分配

当前已经知道的内存的使用方式： 1. 创建一个变量 int a=10;//局部变量 - 栈区 int g_a=10;//全局变量 - 静态区 2. 创建一个数组 int arr[10];//局部/全局

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。

动态内存函数的介绍

malloc-动态内存开辟和 free-动态内存的释放和回收

void* malloc (size_t size);//动态内存开辟的函数

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。
如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
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。

void free (void* ptr);//动态内存的释放和回收的函数

free函数用来释放动态开辟的内存。
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。
如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

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

int main()
{
    //向内存申请10个整形的空间
    //int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
    int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//动态内存开辟
    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));
        }
    }
    //当动态申请的空间不再使用的时候
    //就应该还给操作系统
    free(p);//释放ptr所指向的动态内存
    p = NULL;//必要

    return 0;
}

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calloc-动态内存分配

void* calloc (size_t num, size_t size);

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。

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    //malloc(10*sizeof(int))
    int*p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }
    else
    {
        int i = 0;
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            *(p + i) = i;
        }
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            printf("%d ", *(p + i));
        }
    }
    //释放空间
    //free函数是用来释放动态开辟的空间的
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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realloc-重新分配内存块

realloc函数调整动态开辟内存空间的大小。
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。

void* realloc (void* ptr, size_t size);
//int *p = realloc(NULL, 40);//malloc(40)

ptr 是要调整的内存地址
size 调整之后新大小
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大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
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.

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#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
    int *p = (int*)malloc(20);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }
    else
    {
        int i = 0;
        for (i = 0; i < 5; i++)
        {
            *(p + i) = i;
        }
    }
    //就是在使用malloc开辟的20个字节空间
    //假设这里，20个自字节不能满足我们的使用了,希望我们能够有40个字节的空间
    //这里就可以使用realloc来调整动态开辟的内存
    int*ptr = realloc(p, 40);
    //int*ptr = realloc(p, INT_MAX);//会开辟失败
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
        int i = 0;
        for (i = 5; i < 10; i++)
        {
            *(p + i) = i;
        }
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            printf("%d ", *(p + i));
        }
    }
    //释放内存
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

int *p = (int*)malloc(40);
//万一malloc失败了，p就被赋值为NULL
*p = 0;//err

int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
    *(p + i) = i;//err
}
free(p);
p = NULL;

对动态开辟空间的越界访问

int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
    return 0;
}
else
{
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)//err 越界
    {
        *(p + i) = i;
    }
}
//
free(p);
p = NULL;

对非动态开辟内存使用free释放

int a = 10;
int* p = &a;
*p = 20;
free(p);//err 对非动态开辟内存使用free释放
p = NULL;

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int*p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
    return 0;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
    *p++ = i;
}
//回收空间
// 使用free释放动态开辟内存的一部分
free(p);
p =NULL;

对同一块动态内存多次释放 [谁申请谁回收]

int *p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
    return 0;
}
//使用
//释放
free(p);
p = NULL;
free(p);

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

while (1)
{
    malloc(1);//会导致内存消耗
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。 切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

几个经典的笔试题

题目1

void GetMemory(char *p)
{
    p = (char *)malloc(100);//没有free,存在内存泄露的可能
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);//==printf("%s",str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？程序崩溃

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改正1

void GetMemory(char **p)
{
    *p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

改正2

char* GetMemory(char *p)
{
    p = (char *)malloc(100);
    return p;
}

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

题目2

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

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);
}

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？打印随机值，非法访问内存

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题目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);
    str = NULL;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？打印hello，但存在内存泄露

改正

void GetMemory(char **p, int num)
{
    *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
    //忘记释放动态开辟的内存，会导致内存泄露
    free(str);
    str = NULL;
}

题目4

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？打印world,非法访问内存

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改正

void Test(void)
{
    char *str = (char *)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//free释放str指向的空间后，并不会把str置为NULL
    str = NULL;
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}

C/C++程序的内存开辟

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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。
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。
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。
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。

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。

如：

struct S
{
    int n;
    int arr[];//未知大小的,//柔性数组成员
};

或

struct S
{
    int n;
    int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
};

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柔性数组的特点

结构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。

柔性数组的使用

代码1

//柔性数组，开辟连续空间，空间上也更节省。内存利用率高
struct S
{
    int n;
    int arr[0];//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 s;
    //printf("%d\n", sizeof(s));//4
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+5*sizeof(int));//连续的空间
    ps->n = 100;

    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;//0 1 2 3 4
    }
    struct S* ptr = realloc(ps, 44);
    if (ptr != NULL)
    {
        ps = ptr;
    }
    for (i = 5; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;
    }

    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }

    //释放
    free(ps);
    ps = NULL;

    return 0;
}

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代码2

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struct S
{
    int n;
    int* arr;
};
int main()
{
    struct S*ps = (struct S*)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]);
    }
    //调整大小
    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);
    ps->arr = NULL;
    free(ps);//两次free容易出错
    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：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。
第三个好处是：有益于减少内存碎片

若使用指针的结构体开辟的空间是不连续的，这样多次使用之后，就会造成许多内存碎片。有益于减少内存碎片。

扩展

C语言结构体里的成员数组和指针

练习

找出单身狗

一个数组中只有两个数字是出现一次，其他所有数字都出现了两次

编写一个函数找出这两个只出现一次的数字。

法一

#include <Windows.h>
#include <stdlib.h>
void find_num(int arr[], int sz)
{
    int i, j, k = 0;
    for (i = 0; i < sz; i++)
    {
        k = 0;
        for (j = 0; j < sz; j++)
        {
            if (arr[j] == arr[i])
                k++;
        }
        if (k == 1)
            printf("单数为 %d\n", arr[i]);
    }
    printf("\n");
}
int main()
{
    int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 5 };
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    find_num(arr, sz);
    system("pause");
    return 0;
}

法二：异或

异或运算相同为0，相异为1，则：
a ^ a = 0; (1)
0 ^ a = a; (2)
a ^ b ^ a  =  b; (3)
1 ^ 2 ^ 1 = 2
2 ^ 2  = 0
0 ^ 3 = 3

将数组里面所有的数字异或一遍，最终得到的那个数字就是只出现一次的数。

void FindAppearOnce(int arr[], int len, int* pn1, int* pn2)
{
    int num = 0;//记录整组异或的结果，即两个一次出现的数异或的结果
    int i = 0;
    int k = 1;

    for (i = 0; i < len; i++)  //得出整组异或的结果，即两个一次出现的数异或的结果
    {
        num = num ^ arr[i];
    }

    while (num & 1 != 1)    //找出异或结果中第一个为1的bit位
    {
        k++;
        num = num >> 1;
    }

    for (i = 0; i < len; i++)//将原数组分为两组，分别求出每组中出现一次的数字
    {
        int k_bit = (arr[i] >> (k - 1)) & 1; //arr[i]第k位的值
        if (k_bit == 1)
        {
            *pn1 = *pn1^arr[i];
        }
        else
        {
            *pn2 = *pn2^arr[i];
        }
    }
}
int main()
{
    int num1 = 0;
    int num2 = 0;
    int arr[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 1, 2, 3, 4, 8 };
    int sz = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);
    FindAppearOnce(arr, sz, &num1, &num2);
    printf("%d,%d\n", num1, num2);
    system("pause");
    return 0;
}

最近更新于 0001-01-01

为什么存在动态内存分配

动态内存函数的介绍

malloc-动态内存开辟 和 free-动态内存的释放和回收

calloc-动态内存分配

realloc-重新分配内存块

常见的动态内存错误

对NULL指针的解引用操作

对动态开辟空间的越界访问

对非动态开辟内存使用free释放

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

对同一块动态内存多次释放 [谁申请谁回收]

动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

几个经典的笔试题

题目1

题目2

题目3

题目4

C/C++程序的内存开辟

柔性数组

柔性数组的特点

柔性数组的使用

练习

法一

法二：异或

malloc-动态内存开辟和 free-动态内存的释放和回收