今天我们继续来学习C语言，今天的内容呢是关于动态内存的，我们知道内存可以分为几个板块，栈区，堆区，静态区，我来用一张图片解释：

 我们平时再main函数里定义的变量都是局部变量，那么当我们定义好了一个局部变量，内存就会在栈区当中为我们开辟一块空间，有且只有这一块空间，这也叫做静态内存。

换一个例子吧，当我们需要存一串不确定位数数字，你应该如何存储呢？我们肯定首先想到的是数组，但是这个数组要定义多大呢？由于并不知道会给多少数字，我们先定义100个？但是如果只给了10个数字呢？那我们定义20个？但是如果有200个数字呢？好像怎么存储都不合适，要么存不下，要么浪费掉，那我们该如何做呢？

接下来就引出我们今天的主题：动态内存开辟。

1.什么时动态内存开辟

定义：动态内存(Dynamic Memory)，使用户能够指定虚拟操作系统启动的RAM容量，并将平台可用的系统内存最大化。

什么意思呢？简单来说就是我们可以向内存申请我们所需要的空间，我们需要一个，就申请一个，我们需要一百个，就申请一百个，把浪费缩减到最小，那么电脑为我们开辟内存的过程就是动态的，所以叫做动态内存开辟。

2.为什么存在动态内存分配

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： 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。

3.malloc

C语言提供的第一个动态内存开辟的函数是：malloc，我们来看MSDN里对于它的概念的解释。

malloc在为我们申请内存时一次只申请一个，不论你的类型是int或char，你让我申请什么类型的我就申请什么类型的，但是只有一个，我们来看它的用法：malloc函数的形参是一个size_t size，所代表的就是开辟内存的大小，malloc返回值是一个void*，我们讲过函数指针，知道返回值为void*代表可以返回任何类型的指针，所以当我们申请int型数据内存时返回的就是int*，char型的话返回的就是char*，那么我们来看一下malloc函数使用的实例：

#include <stdlib.h>
int* ret = (int*)malloc(sizeof(int));

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。

我们知道调用一个函数并且传参时在调用的函数里就会为其创建局部变量，但是当你的函数结束时其中的局部变量就会销毁，并不能返回到main函数中，但是当我们使用动态内存开辟一块空间，不论在main函数里还是在我们自己写的接口函数里它都不会销毁，因为我们再回看上面那幅图局部变量和函数的形参都是在栈区开辟的，而动态内存开辟是在堆区开辟的，它们并不在同一块内存空间，所以在调用函数生成栈帧时并不会影响到malloc开辟的空间，那这时候就会有人问了，如果函数结束后都不会销毁的话，那岂不是当我用一次动态内存都要吃点一点我的内存？是的，当我们使用了动态内存开辟后并没有对其进行销毁，它就会一直在那里，虽说只有几个字节但是这显然是不正确的，那该如何销毁动态内存开辟的内存呢？C语言提供了另一个函数：free，free函数专门用来释放动态内存开辟的空间，所以我们不难看出动态内存开辟函数和free函数是一起用的。

 举几个实例：

#include <stdio.h>
int main()
{//代码1int num = 0;scanf("%d", &num);int arr[num] = {0};//代码2int* 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？//答：有，因为当我们释放了ptr后它所指向的是一块随机内存//也叫做野指针，为了不引起其他的麻烦，我们选择把它指向NULLreturn 0;
}

int main()
{//int arr[10] = { 0 };int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return -1;}else{printf("申请成功");for (int i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}}free(p);p == NULL;ret

4.calloc

C语言提供的第二个动态内存开辟函数是：calloc，我们还是照旧来从MSDN看关于calloc的定义：

那么同样作为动态内存开辟函数，它和malloc有什么区别呢？malloc - 只负责在堆区申请空间，并返回起始地址，不初始化内存空间；calloc - 在堆区上申请空间，并且初始化为0，返回起始地址。我们来用一段代码尝试理解：

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){printf("%s", strerror(errno));return -1;}for (int i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}int* ptr = realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL){p = ptr;}else{return -1;}for (int i = 10; i < 20; i++){*(p + i) = i;}for (int i = 0; i < 20; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

其实我们可以去拿它和数组一起比较，不同的是数组是只能是局部变量或者全局变量，分别在栈区和静态区开辟，而calloc则是在堆区开辟。

 5.realloc

C语言为我们提供的第三个动态内存开辟函数就是realloc，realloc和前两个不同的是，前面两个是开辟一块没有被使用的空间为你使用，而realloc可以在原有空间上进行增容，如果原空间就是0，那么realloc的功能也可以等同于malloc。

 

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。

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>
int main()
{int *ptr = malloc(100);if(ptr != NULL){//业务处理}else{exit(EXIT_FAILURE);    }//扩展容量//代码1ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2int*p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if(p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;
}

学了这两个函数后，我们来看一些题目加深对动态内存开辟函数的理解：

int main()
{int* p = malloc(200);//只能访问50个字节if (p == NULL){return -1;}for (int i = 0; i < 80; i++)//越界访问{*(p + i) = i;}for (int i = 0; i < 80; i++){printf("%d", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}

int main()
{int* p = (int*)malloc(20);if (p == NULL){return -1;}*p = 0;//直接这样写是有风险的，p可能为空指针return 0;
}

我们知道当使用了动态内存开辟了一块空间后，不使用了要用free进行销毁，那么如果我没有销毁呢？会产生什么后果？

//动态内存开辟忘记释放
//在堆区上申请的空间，有两种回收方式
//1.free
//2.当程序退出时，申请的空间也会自动回收
int main()
{int* p = (int*)malloc(40);return 0;
}

我们来做几道经典的笔试题，来看看它们对于动态内存函数的考察都是什么吧。

题目一：

void GetMemory(char *p)
{p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{char *str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);
}
//直接调用Test会产生什么结果？

直接调用Test后会产生野指针的问题，因为当你的GetMemory函数在其内部为你开辟了一块空间时并没有返回p指针，我们知道调用函数传参时在函数内部创建了一个实参的临时拷贝，它只完成功能，对main函数里的实参没有影响，所以str里并不是malloc刚刚为你开辟的空间，那我们要如何更改呢？

//第一种改法
void GetMemory(char** p)
{*p = (char*)malloc(100);
}
int main()
{char* str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "helloworld");printf(str);//程序挂掉//1.str传给p的时候，是值传递，p是str的临时临时拷贝，所以当malloc开辟的空间起始地址放在p中的时候，不会影响str，str依然为NULL//2.当str是NULL时，strcpy想把helloworld拷贝到str指向的空间时，程序就崩溃了，因为NULL指针指向的空间是不能直接访问的。return 0;
}

//第二种改法
char* GetMemory(char* p)
{*p = (char*)malloc(100);return p;
}
int main()
{char* str = NULL;str = GetMemory(str);strcpy(str, "helloworld");printf(str);return 0;
}

题目二：

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

这道题的问题主要是我们知道调用函数时会在内存上为其开辟栈帧，函数内部创建的变量也是一样，当出了这个函数后栈帧也会被销毁，所以malloc的空间并不存在，出了栈区会被销毁，所以Getmemory函数已经被销毁，p创建的数组也被销毁，返回的p只是随机值，如果想解决这个问题，记得调用二级指针。

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

这里的代码并没有free调开辟的内存，所以会产生内存泄漏。

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

已经free掉str开辟的内存了还要对其进行字符串拷贝和打印，典型的越界访问。

6.C/C++程序的内存开辟

 C/C++程序内存分配的几个区域：

1. 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。 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。 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。

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。

7.柔性数组

接下来又要介绍一个全新的概念，可能大家从来没听过柔性数组的概念，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。

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

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。

//code1
typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

柔性数组的使用：

struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
};
//struct ts_type2
//{
//	int i;
//	int a[0];//柔性数组成员
//};
int main()
{//printf("%d", sizeof(struct st_tpye));//包含柔性数组成员的结构体的使用，要配合动态内存分配函数//struct st_tpye st;//error 4bytestruct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 10 * sizeof(int));if (ps == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return -1;}ps->i = 100;for (int i = 0; i < 10; i++){ps->a[i] = i;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->a[i]);}//空间不够，希望调整成20个struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(ps, sizeof(struct st_type) + 20 * sizeof(int));if (ptr == NULL){printf("扩展空间失败");return -1;}else{ps = ptr;}free(ps);ps = NULL;return 0;
}

struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
};
//struct ts_type2
//{
//	int i;
//	int a[0];//柔性数组成员
//};
int main()
{struct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type));ps->i = 100;ps->a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));for (int i = 0; i < 10; i++){ps->a[i] = i;}for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->a[i]);}//扩容int* ptr = realloc(ps->a, sizeof(int) * 20);if (ptr == NULL){printf("扩容失败");return;}else{ps->a = ptr;}free(ps->a);ps->a = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

柔性数组的优势：

//代码1
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);
//上述的 type_a 结构也可以设计为：
//代码2
typedef struct st_type
{int i;int *p_a;
}type_a;
type_a *p = 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;

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）

好了，关于动态内存开辟我们就讲到这里，下次再见。