C语言----动态内存分配（malloc calloc relloc free）超全知识点

一.动态内存函数

1.malloc

2.free

3.calloc

4.malloc和calloc的区别

5.realloc

二.动态内存分配的常见错误

1.对null进行解引用操作

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释放动态开辟内存的一部分

5.对同一块动态内存多次释放

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

三.习题讲解

1.代码找错

（1）内存泄漏

（2）返回栈空间地址的问题

（3）非法访问内存

四.柔性数组

一.动态内存函数

1.栈区(stack):在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都以在栈上创建，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(操作系统)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

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

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。

动态内存分配是在堆区进行的

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
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，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内存开辟

例如

虽然C语言是可以支持变长数组--c99中增加了，但是很多编译器是不支持c99的，所以变长数组没有办法使用，即arr[n],所以已有的分配内存空间的方式是局限的，所以要进行动态内存分配

struct S
{char name[20];int age;
}int main()
{int n=0;scanf("%d",&n);struct S arr[n];return 0;
}

1.malloc

void* malloc (size_t size) 动态内存开辟

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 的行为标准是未定义的，取决于编译器。

malloc包含的几个要素

//1.
#include<stdlib.h>
int main()
{
//2.int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));//malloc是void*型,所以要进行强制类型转换，但是在Gcc环境下或者说linux环境下是不需要进行转换的
}

代码如下(还没有回收释放空间)

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));if(p==NULL)printf("%s",strerror(errno));//开辟空间失败，可以用strerror显示错误结果else{for(int i=0;i<10;i++){//把每个元素打印出来 *(p+i)=i;}for(int i=0;i<10;i++){printf("%d",*(p+i));} }return 0;	
}

如果将其中的

int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));

改为

int* p=(int*)malloc(10*sizeof(INT_MAX));

系统会报错，错误信息为not enough space

（1）INT_MAX ：INT_MAX 是 C++ 中 <climits> 头文件中定义的一个宏，用于表示 int 类型的最大值。该宏在 C 和 C++ 中都可以使用，他不是数据类型。

如果想正确使用INT_MAX开辟空间，代码如下

//在C++中使用new开辟一块新的空间
#include <iostream>
#include <climits> // 包含 INT_MAX 的头文件using namespace std; // 引入命名空间int main() {int* p = new int[10]; // 使用 new 关键字动态分配内存for (int i = 0; i < 10; ++i) {p[i] = INT_MAX; // 给每个元素赋值为 INT_MAX}for (int i = 0; i < 10; ++i) {cout << p[i] << " ";}cout << endl;delete[] p; // 释放动态分配的内存return 0;
}

2.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（堆区），函数原型如下：

void free ( void* ptr );
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。

完整代码如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p=(int*)malloc(40);if(p==NULL)printf("%s",strerror(errno));//开辟空间失败，可以用strerror显示错误结果else{for(int i=0;i<10;i++){//把每个元素打印出来 *(p+i)=i;}for(int 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);//即使我们将p还给了操作系统，但是p依然指向这块空间,所以要进行p=NULLp=NULL;//使p不指向这块内存空间return 0;	
}

3.calloc

calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：
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

calloc的几个要素

//1.
#include<stdlib.h>
#include<malloc.h>
int main()
{
//2.
//malloc(10*sizeof(int))int *p=(int*)calloc(10,sizeof(int));return 0;}

代码如下

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<malloc.h>
int main()
{int* p=(int*)calloc(10,sizeof(int));if(p==NULL)printf("%s",strerror(errno));//开辟空间失败，可以用strerror显示错误结果else{for(int i=0;i<10;i++){//把每个元素打印出来 *(p+i)=i;}for(int i=0;i<10;i++){printf("%d",*(p+i));} }free(p);//free函数是用来释放动态开辟的空间的p=NULL;return 0;	
}

4.malloc和calloc的区别

1.malloc和calloc的开辟空间形式不同

2.calloc会初始化空间为0，而malloc不会初始化。所以malloc开辟空间效率更高，但不会将空间的每个字节初始化为0

5.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。
函数原型如下：
void* realloc ( void* ptr , size_t size );
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 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
对策：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
情况 2 ：原有空间之后没有足够大的空间
对策：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。

代码如下

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p=(int*)malloc(20);if(p==NULL)printf("%s",strerror(errno));//开辟空间失败，可以用strerror显示错误结果else{for(int i=0;i<10;i++){//把每个元素打印出来 *(p+i)=i;}}//假设这里20个字节的空间不够用了,我们希望使用40个字节的空间//这时候就可以使用realloc来调整动态开辟的空间int* p2=realloc(p,40);for(int i=5;i<10;i++){*(p2+i)=i;}for(int i=0;i<10;i++){printf("%d",*(p2+i));}return 0;	
}

在这里，用了p,p2两个指针指向不同的内存空间，这样p就不是统一管理所有的空间，所以这样做不对，追加空间有有以下两种情况：

1.开辟的空间后面正好有足够的空间能够追加内存，开辟内存空间后也是p指向内存首元素，返回的是p（旧的指针）

2.如果开辟的空间后没有足够的空间，那么就重新开辟一块新的空间，把原来的地址里面的数据，拷贝到新开辟的更大的空间中

第一种方法返回的是旧的地址

第二种方法返回的是不同的新开辟的内存空间地址，旧的空间free()

注意：

int* p=realloc(p,40);

如果realloc内存开辟失败，返回NULL(空指针)，那么p原来开辟的空间也找不到了,所以不能赋值到原来开辟的内存空间，应该这样写：

int* ptr=realloc(p,40);//用新变量接收realloc的返回值
if(ptr!=NULL)
{p=ptr;//仍然用p维护新的内存
} 
int i=0;

完整代码如下

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p=(int*)malloc(20);if(p==NULL)printf("%s",strerror(errno));//开辟空间失败，可以用strerror显示错误结果else{for(int i=0;i<5;i++){//把每个元素打印出来 *(p+i)=i;}}//假设这里20个字节的空间不够用了,我们希望使用40个字节的空间//这时候就可以使用realloc来调整动态开辟的空间int* p2=realloc(p,40);if(p2!=NULL){p=ptr;for(i=5;i<10;i++){*(p+i)=i;}for(i=0;i<10;i++){printf("%d",*(p+i));}}free(p);p=NULL;return 0;	
}

二.动态内存分配的常见错误

1.对null进行解引用操作

int main()
{int *p=(int*)malloc(40);//万一解引用失败,p就被赋值为null*p=0//err;int i=0;for(int i=0;i<10;i++){*(p+i)=i;    }free(p);p=NULL;return 0;}

所以在解引用操作前要作出判断

int main()
{int *p=(int*)malloc(40);//万一解引用失败,p就被赋值为nullif(p!=NULL){*p=0//err;int i=0;for(int 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

int main()
{int *p=(int*)malloc(5*sizeof(int));if(p==NULL)return 0;else {for(int i=0;i<10;i++)//本来只有5个整型元素,访问10个的话会越界{*(p+i)=i;}}//free(p);p=NULL;return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

int a=10;
int* p=&a;
*p=20;
free(p);
p=NULL;

a的空间是在栈区存放的，程序会出错

4.使用free释放动态开辟内存的一部分

#include<stdio.h>
{
int *p=(int*)malloc(40);
if(p==NULL)
{return 0;
}
int i=0;
for(i=0;i<10;i++)
{*p++=i;
}
free(p);
p=NULL;//在这里p已经变化了，不是最初指向的空间了
return 0;
}

代码应该改为

for(i=0;i<10;i++)
{*(p+i)=i;
}

5.对同一块动态内存多次释放

int *p=(int*)malloc(40);
if(p==NULL)return 0;
else{....free(p);free(p);p=NULL;return 0;
}

或者这样,这样不会报错（每次释放完后，p所指向的地址置为空指针）

free(p);
p=NULL;
free(p);

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

while(1)
{malloc(1);sleep(1000);    
}
return 0;

三.习题讲解

1.代码找错

（1）内存泄漏

这里有几个错误

(1)调用完GetMemory之后，p是GetMemory中的一个形参变量，p在这个函数内有效，出了这个函数之后就无效了，等GetMemory函数返回之后，动态开辟内存尚未释放并且无法找到，所以会造成内存泄漏，所以在这里str还是空指针，不是有效的地址，所以

strcpy(str,"hello world");//str并没有指向有效的地址，而是一块空指针

（2）没有free(),会出现内存泄露问题

void GetMemory(char **p)//对char *的地址解引用就是**p,p中存放的是str的地址,那么*p就是str
{*p=(char *)malloc(100);
}void Test(void)
{char *str=NULL;GetMemory(&str);strcpy(str,"hello world");printf(str);free(str);str=NULL;
}int main()
{Test();return 0;
}

或者

char* GetMemory(char *p)//对char *的地址解引用就是**p,p中存放的是str的地址,那么*p就是str
{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;
}int main()
{Test();return 0;
}

（2）返回栈空间地址的问题

（1）str=GerMemory();//确实将返回值放到了str中，但是执行完该代码后，p的空间就还给操作系统了，所以当printf(str)打印时，str指向哪块空间就不清楚了，同理

int *test()
{int a=10;return &a;
}int main()
{int *p=test();//非法访问内存空间*p=20;return 0;}

可以改为

int *test()
{//int a=10;//栈区static int a=10;//将a放在静态区中，栈空间的地址返回存在风险，但是静态区不会return &a;
}int main()
{int *p=test();*p=20;return 0;}

也可以写为

int* test()
{int *ptr=malloc(100);//在堆区,如果不free依然存在return ptr;}int main()
{int *p=test();return 0;}

（3）非法访问内存

篡改动态内存区的内容，后果难以预料，非常危险。
因为free(str);之后，str成为野指针if(str!=NULL)语句不起作用

void test(void)
{char *str=(char*)malloc(100);strcpy(str,"hello");free(str);//虽然str开辟的区域已经还给操作系统了,但是str还是指向这块区域if(str!=NULL)//这里判断为真，world覆盖hello,打印了world,但是这块空间已经被释放了，不能使用了，但是还是打印了world，非法访问{strcpy(str,"world");printf(str);}
}int main()
{test();return 0;
}

代码修改为

void test(void)
{char *str=(char*)malloc(100);strcpy(str,"hello");free(str);//虽然str开辟的区域已经还给操作系统了,但是str还是指向这块区域str=NULL;//这样下面的判断(str!=NULL)才有意义if(str!=NULL){strcpy(str,"world");printf(str);}
}int main()
{test();return 0;
}

四.柔性数组

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

运用柔性数组

struct S
{int n;int arr[];//未知大小的,柔性数组成员，数组大小是可以改变的
}int main()
{struct S s;printf("%d\n",sizeof(s));//结果为4struct S* ps=(struct S*)malloc(sizeof(struct S)+5*sizeof(int));
//为arr开辟了5个int型的地址空间ps->n=100;for(int i=0;i<5;i++){ps->arr[i]=i//0 1 2 3 4 5 }Struct *ptr=realloc(ps,44);//原来是24个字节,现在是44个字节，多个5个整型变量if(ptr!=NULL)ps=ptr;for(int i=5;i<10;i++){ps->arr[i]=i;}for(int i=0;i<10;i++){printf("%d",ps->arr[i]);  }free(ps);ps=NULL;return 0;
}

另一种写法，不适用柔性数组，开辟空间的方式有一些区别，但是总体得到的结果相同

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]);      }int *ptr=realloc(ps->arr,10*sizeof(int));if(ptr!=NULL)ps->arr=ptr;for(int i=5;i<10;i++)ps->arr[i]=i;for(int i=0;i<10;i++)printf("%d",ps->arr[i]);//释放内存,注意先后顺序不能改变free(ps->arr);ps->arr=NULL;free(ps);ps=NULL;return 0;
}