1. 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。

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc 和 free 函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

free函数用来释放动态开辟的内存。

注意：
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

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc 和 free的头文件
int main()
{int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int)* 5);//申请5个大小为int型的内存空间，即20个字节//判断申请是否成功if (ptr == NULL)//申请失败时{printf("内存申请失败！\n");return 0;}else//申请成功时，即可对开辟的内存进行操作{int i = 0;for (int i = 0; i < 5; i++){*(ptr + i) = i;}}free(ptr);//空间利用结束后，对其进行释放ptr = NULL;//将ptr置空，防止形成野指针return 0;
}

核心代码图解：

2.2 calloc 函数

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<stdlib.h>
int main()
{int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//申请10个 int 型数据的内存空间//内存申请失败if (p == NULL){printf("n内存申请失败!\n");}//内存申请成功else{;//即可进行一系列操作}free(p);p = NULL;return 0;
}

2.3 realloc函数

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
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
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下

3. 常见的内存错误

3.1 对NULL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);
}

3.2 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);
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{int a = 10;int *p = &a;free(p);//ok?
}

3.4 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
}

注意：释放内存时的地址必须是开辟内存时返回的地址，其他的任何地址都不行

3.5 对同一块动态内存的多次释放

void test()
{int *p = (int *)malloc(100);free(p);free(p);//重复释放
}

3.6 内存泄漏(动态开辟内存时忘记释放)

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

4. 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。

5. 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。

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;

5.1 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。

2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

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。

5.2 柔性数组的使用

//代码1
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
typedef struct st_type
{int i;int a[0];
}type_a;int main()
{type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100 * sizeof(int));p->i = 100;//业务处理for (int i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i;}free(p);p=NULL;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。

5.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//代码2
#include<stdio.h>
#include<stdio.h>
typedef struct st_type
{int i;int *p_a;
}type_a;int main()
{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 (int 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.