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：
例如

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。
这时候就只能用动态内存开辟的方式了。
说明：
动态内存函数操作的内存都是在堆区上。

内存分配知识拓展

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。

动态内存函数

malloc和free函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数

根据函数的功能介绍，该函数会向内存申请一块连续可用的空间，大小为 size（单位是字节），并返回指向这块空间的指针。
注意：
1.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
2.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（即判断是否为NULL）。
3.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。
4.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。

当空间被动态开辟后，程序运行结束，被用完的空间又会怎么处理呢？

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：

free函数用来释放动态开辟的内存。
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。
3.如果参数ptr指向的空间是动态开辟的，那free函数的行为就是释放掉该动态开辟的空间，将其归还给操作系统，但是对ptr没有影响（为了防止对ptr的错误使用一般都会在free掉空间后再手动将ptr置位NULL）。

注：malloc 和 free 都声明在头文件 stdlib.h 中。
举个栗子：

#include<stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
    //开辟空间
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//开辟10个整型大小的空间，且将ptr强制类型转换int*型 指向这块空间
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("main");//当ptr为NULL时，打印出错误信息
		return 0;
	}
	//使用空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//回收空间
	free(ptr); //将ptr指向的空间释放，还给系统
	ptr = NULL; //手动将ptr置为NULL
	return 0;
}

结果：

从以上结果可见malloc函数开辟空间成功。

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：

1.函数的功能是为 num 个大小为 size（单位字节） 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
2.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。
3.如果函数开辟内存成功，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。
举个栗子：

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

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：

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，该函数也如前两个函数，如果函数开辟内存成功，则返回一个指向开辟好空间的指针（即调整之后的内存起始位置），如果调整空间失败，则返回一个 NULL 指针。

realloc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；具体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，如图

当为这种情况时，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，如图

当是这种情况时，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。

举个栗子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//开辟10字节的空间大小
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}
	else
	{
		//使用开辟的空间，当空间不能满足使用时，需扩展空间
		//扩展空间
		int* ptr = (int*)realloc(p, 30);//定义1个新的指针，将空间扩展为30个字节大小
		if (ptr != NULL)
		{
			p = ptr;//当函数调整空间成功时，再将新指针赋给原来的指针p
		            //注意:若这里不进行判断ptr是否为空指针，则当出现开辟空间失败的情况时，ptr就会
		            //为NULL,再将ptr赋给p,则原先开辟的空间也会被置为NULL,就会造成得不偿失的情况
			//使用
			//......
		}
		//使用结束，释放内存
		free(p);
		p = NULL;
	}
	return 0;
}

小提示：在使用malloc、calloc、realloc 这三个函数时，记住使用完成之后，都要用free函数来释放内存，并将函数对应的起始地址置为空指针 !

常见的动态内存错误

1. 对NULL指针的解引用操作

例如：

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

即当函数开辟空间失败时，函数就会返回NULL，而此时再对该函数的返回值解引用，就会出错，如上代码。

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)
{
    printf("内存开辟失败\n");
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
    *(p+i) = i; //当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}

若动态开辟的空间越界访问则会出现的结果：

3. 对非动态开辟内存使用free释放

例如如下情形

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

该情况会引发异常

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); //此时的p不再指向动态内存的起始位置
}

此种情况也会引发异常

5. 对同一块动态内存多次释放

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

会引发异常

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;
   }
}
//函数运行结束时，指向动态开辟空间的指针 p 会消失，而 p 指向的
//内存空间不会消失，但是该空间又没被回收，所以会造成程序的泄露
int main()
{
   test();
   return 0;
}

当开辟的动态内存使用完成后没有free释放，这种情形会造成内存泄露。
所以切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且要正确释放。

注：
动态开辟的空间有两种回收方式：
1.主动使用free函数释放，还给系统
2.整个程序结束时会释放

经典笔试题

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？
该程序不会输出任何结果，并造成空间泄露。

原因：指针 str 传给 GetMemory 函数时为值传递，所以 GetMemory 函数的形参 p 是 str 的一份临时拷贝，在 GetMemory 函数内存申请动态开辟的空间的地址存放在 p 中，不会对该函数外的 str 造成影响，所以，当 GetMemory 函数运行完返回之后，str 依旧是 NULL .所以 strcpy 会失败。除此之外，当 GetMemory 函数返回后，指针 p 会销毁，使得动态开辟的100个字节的空间泄露，无法释放。

如何修改：

char* GetMemory(char* p) //函数的返回值为char*型
{
	p = (char*)malloc(100);//在堆上开辟的空间，该空间出了函数不会被销毁
	return p;//返回开辟动态内存的起始地址
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str); //str接收返回的动态内存的地址
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);//打印出内容
	free(str);//释放空间
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题目2

char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";//在栈上开辟的空间，出了函数会被销毁
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？
该程序不会输出任何结果。
原因：在 GetMemory 函数内部，当创建数组 p 后（在栈上开辟的空间，出了该函数的范围就会被销毁），函数结束返回数组名p(即首元素的地址)后，此时的数组内容（即字符串）也会被销毁，虽然在 Test 函数内部有 str 接收该地址，但地址 p 指向的字符串已经被销毁，所以最终结果为不会输入任何内容。

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？
GetMemory 函数中动态开辟的内存在 Test 函数中使用完后没用free函数释放，会造成空间泄露。

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？
在使用 strcpy 函数前指针 str 指向的空间已经被释放掉了，此时的 str 不再指向被动态开辟的空间，所以不会发生字符串的拷贝。