第21讲：动态内存管理

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正文开始

1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整。

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。

C 语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2. malloc 和 free

2.1 malloc

C 语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc(size_t size);

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 的行为是标准未定义的，取决于编译器。

2.2 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，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，那么 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。

举个例子：

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

int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
if (NULL != ptr) // 判断 ptr 指针是否为空
{
int i = 0;
for (i = 0; i < num; i++)
{
*(ptr + i) = 0;
}
}
free(ptr); // 释放 ptr 所指向的动态内存
ptr = NULL; // 是否有必要？
return 0;
}

3. calloc 和 realloc

3.1 calloc

C 语言还提供了一个函数叫 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。

举个例子：

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

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

输出结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便地使用 calloc 函数来完成任务。

3.2 realloc

• realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。
• 有时候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。为了合理地使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整，那么 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 是调整之后的新大小。
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 这个函数在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 在调整内存空间时存在两种情况：
  • 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。

情况 1

当是情况 1 的时候，要扩展内存就直接在原有内存之后追加空间，原来空间的数据不发生变化。

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。

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(100);
if (ptr != NULL)
{
// 业务处理
}
else
{
return 1;
}

// 扩展容量

// 代码 1 – 直接将 realloc 的返回值放到 ptr 中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); // 这样可以吗？（如果申请失败会如何？）

// 代码 2 – 先将 realloc 函数的返回值放在 p 中，不为 NULL，再放到 ptr 中
int *p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if (p != NULL)
{
ptr = p;
}

// 业务处理
free(ptr);
return 0;
}

4. 常见的动态内存的错误

4.1 对 NULL 指针的解引用操作

void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX / 4);
*p = 20; // 如果 p 的值是 NULL，就会有问题
free(p);
}

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);
}

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); // ok?
}

4.4 使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p); // p 不再指向动态内存的起始位置
}

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
}

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就会造成内存泄漏。

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

5. 动态内存经典笔试题分析

5.1 题目 1

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

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

请问运行 Test 函数会有什么样的结果？

5.2 题目 2

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

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

请问运行 Test 函数会有什么样的结果？

5.3 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);
}

请问运行 Test 函数会有什么样的结果？

5.4 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？

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：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[0]; // 柔性数组成员
} type_a;

有些编译器会报错无法编译，可以改成：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[]; // 柔性数组成员
} type_a;

6.1 柔性数组的特点

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
• 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。

例如：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[0]; // 柔性数组成员
} type_a;

int main()
{
printf("%d | ", sizeof(type_a)); // 输出的是 4
return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

// 代码 1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
// 业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
return 0;
}

这样柔性数组成员 a，相当于获得了 100 个整型元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。

// 代码 2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
} type_a;

int main()
{
int i = 0;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i * sizeof(int));

// 业务处理
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}

// 释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = 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）

扩展阅读：

C 语言结构体里的数组和指针

7. 总结 C/C++ 中程序内存区域划分

C/C++ 程序内存分配的几个区域：