C语言进阶—— 动态内存开辟+柔性数组

会挽雕弓如满月，西北望，射天狼。这篇文章主要讲述C语言进阶—— 动态内存开辟+柔性数组相关的知识，希望能为你提供帮助。
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?前言现代计算机基本都是基于冯诺伊曼结构体系设计出来的，冯诺伊曼结构体系的核心就是“存储程序”，将程序（指令集）和数据以同等地位存储在内存中。但是我们的内存空间并不是无限大的，所以为了高效的利用好内存空间，操作系统会对这些内存空间进行相应的分区，不同区域的内存有其对应的功能和使用方式。

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比如局部变量、函数形参通常是存储在栈区的，这部分内存空间的特点就是临时使用，用完即释放（当然这个都是由操作系统自动完成的，不需要程序员的干预）；
再比如全局变量通常存放在静态区，此外由static修饰的局部变量也会放到静态区（所以static修饰局部变量，本质上是改变了其存储的位置，从栈区-- > 静态区），这部分内存空间就是生命周期很长，长到整个程序运行结束；
再例如我们使用的常量字符串，会被保存到常量区，这部分内存区域的特点就是类似于“常量”，不可被修改，相当于添加了一个“const”的buff。
进入正题
思维导图：

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?一、寻根问底什么是动态内存分配 / 管理？由程序员根据实际编程需要向操作系统申请，在堆区上开辟的，供程序员操作使用和维护的内存空间，程序员的游乐园！通常是一些临时用到的数据或者变量，随时开辟，用完随时释放，而不必等到函数结束后由操作系统回收！
为什么需要动态内存分配？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。
怎么建立动态内存分配？通过系统提供的4个库函数实现，malloc\\calloc\\realloc\\free，这四个函数后面我们会详细介绍。
?二、动态内存函数注意：以下说的四个函数的头文件均为：stdlib.h
mallocC语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void * malloc(size_t size);

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size_t就是unsigned int（无符号整型）
这个函数的作用就是在动态存储区中分配一个长度为size个字节的连续空间，并返回指向该空间的指针。
示例

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> #include< string.h> #include< errno.h> int main() { //向内存申请十个整形空间，返回空间的起始地址 int* p = malloc(10 * sizeof(int)); if (p == NULL) { //打印错误原因的一个方式 printf("%s\\n", strerror(errno)); } else { //正常使用空间 int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = i; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } } return 0; }

动态开辟的空间如何释放和回收呢？
C语言提供了一个专门完成这个功能的库函数-- - free
freeC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：

void free(void* p)

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free的作用就是释放指针变量p所指向的动态空间，使这部分空间能够重新被利用。
看一下实际的使用：

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> int main() { //1.通过动态开辟申请10个int类型的空间 int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); //通常结合sizeof一起使用 //根据实际使用强制类型转换为想要的类型 //2.malloc有可能申请空间失败，所以需要判断一下 if (ptr == NULL) { perror("main"); //perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因） return 0; //出错就直接结束函数 } //3.使用给这10个整型空间赋值 for (int i = 0; i < 10; i++) { *(ptr + i) = i; } //打印一下 for (int i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", ptr[i]); //这里可以直接使用数组下标的形式，和指针解引用是一样的 } //4.释放 free(ptr); ptr = NULL; //需要手动置为NULL，防止非法访问 return 0; }

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为什么要进行动态内存的释放和回收？
那释放之后为什么要手动将指针赋值为NULL（空指针）呢？
那有没有动态分配函数在申请空间的同时就进行初始化呢 ?
calloccalloc函数也用来动态内存分配，函数原型：

void * calloc(size_t num, size_t size);

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比如刚刚的上面的代码，如果我们将malloc换成calloc，不进行手动初始化：

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> int main() { //int*p = malloc(10*sizeof(int)) int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int)); if (ptr == NULL) { perror("main"); //perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因） } for (int i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", ptr[i]); } free(ptr); ptr = NULL; return 0; }

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在内存储存如下：

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所以如何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。
光从上面这三个函数的介绍，我们可能并没有深刻体会到“动态内存分配”的动态体现在哪，接下来要介绍的函数才是动态内存分配的“灵魂”-- - realloc
realloc【C语言进阶—— 动态内存开辟+柔性数组】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，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那rea1lloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整

函数原型：void * realloc(void* ptr, size_t size);

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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(10 * sizeof(int)); if (ptr == NULL) { perror("main"); return 0; } //realloc使用的注意事项： //1. 如果p指向的空间之后有足够的内存空间可以追加，则直接追加，后返回p //2. 如果p指向的空间之后没有足够的内存空间可以追加，则realloc函数会重新找一个新的内存区域 //开辟一块满足需求的空间，并且把原来内存中的数据拷贝回来，释放旧的内存空间 //最后返回新开辟的内存空间地址 //3. 得用一个新的变量来接受realloc函数的返回值 //进行扩容操作 int* p = (int*)realloc(ptr, 100 * sizeof(int)); //注意：不能直接将扩容之后的地址给ptr，因为存在扩容失败的可能，会导致ptr地址丢失 if (p == NULL) { printf("realloc failed!\\n"); return 0; } p = ptr; //返回新地址 //业务处理 free(p); p = NULL; return 0; }

?三、常见的动态内存错误 1）对空指针NULL的解引用操作

#include < stdio.h> #include < stdlib.h> int main() { int* p = malloc(10 * (sizeof(int))); //万一malloc失败了，p就被赋值为空指针（NULL） int i = 0; for (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

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当I = 10时越界访问
3）对非动态开辟内存使用 free 释放

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free一定是释放堆区上的数据
4）对同一块动态内存的多次释放

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5）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

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6）动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露）

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> void test() { int* p = (int*)malloc(100); if (NULL != p) { *p = 20; } } int main() { while (1) { test(); } return 0; }

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（没停止运行我电脑死机了！！！……）
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
?四、经典笔试题练习题目1：

void GetMemory(char *p) { p = (char *)malloc(100); } void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(str); strcpy(str, "hello world"); printf(str); } int main() { Test(); return 0; }

?请问运行Test函数会有什么样的结果？
分析：

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改进方法一：

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改进方法二：

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题目2：

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> char* GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; //退出函数时被销毁了 return p; //虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值 }void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory(); //被赋予了随机值 printf(str); }int main() { Test(); return 0; }

?请问运行Test函数会有什么样的结果？
退出函数时被销毁了,虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值
分析：

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习题3：

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> void GetMemory(char **p, int num) { *p = (char *)malloc(num); } void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(& str, 100); strcpy(str, "hello"); printf(str); } int main() { Test(); return 0; }

?请问运行Test函数会有什么样的结果？
习题4:

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> void Test(void) { char* str = (char*)malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); //提前释放内存，但并不会置空指针 //str成为了野指针，if语句没有作用 if (str != NULL) { strcpy(str, "world"); //前面已经释放内存了，非法访问 printf(str); } } int main() { Test(); return 0; }

?请问运行Test函数会有什么样的结果？
?五、C/C++程序的内存开辟

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C/C++程序内存分配的几个区域：
?六、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，结构体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。
举例

struct S { int n; int arr[]; //还可以写成这样 int arr[0]; };

#include< stdio.h> struct S { int n; int arr[]; //还可以写成这样 int arr[0]; }; int main() { printf("%d", sizeof(struct S)); return 0; }

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举例：

#include< stdio.h> struct S { int n; int arr[]; //未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的 }; int main() { //struct S s1; 这种方式创建的变量无法正常使用 //printf("%d\\n", sizeof(s1)); //假设我们期望arr的大小是10个int类型 struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int)); //开辟了arr的空间 return 0; }

动态开辟内存分布情况如图：

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正因为空间是动态开辟出来的，如果后续使用的时候，数组arr的空间大小不够了，可以通过realloc去动态调整，体现了其“柔性”的特点。

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#include< stdio.h> struct S { int n; int arr[]; //还可以写成这样 int arr[0]; }; int main() { //假设我们期望arr的大小是10个int类型 struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int)); int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { ps-> arr[i] = i; //访问并修改arr[]的值 } //调整 struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int)); if (ptr == NULL) { perror("main"); return 1; } ps = ptr; //使用 //..... //释放 free(ps); ps = NULL; return 0; }

柔性数组功能的替代方法用一个指针代替柔性数组成员

struct S { int n; //int arr[]; //还可以写成这样 int arr[0]; int* arr; //替换柔性数组 }; int main() { struct S* ps=(struct*)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]) } return 0; }

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如果内存不够，想再次修改如下：

#include< stdio.h> #include< stdlib.h> struct S { int n; //int arr[]; //还可以写成这样 int arr[0]; int* arr; //替换柔性数组 }; int main() { struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)); //开辟了结构体8个字节的空间（初始空间） //两次malloc是为了让ps-> arr是动态的，如果ps被系统释放了，arr指向的空间就找不到了 ps-> arr = malloc(5 * sizeof(int)); //让arr指向动态开辟的空间int i = 0; for (i = 0; i < 5; i++) { ps -> arr[i] = i; } for (i = 0; i < 5; i++) { printf("%d ", ps -> arr[i]); } printf("\\n"); //调整内存 int* ptr = realloc(ps-> arr, 10 * sizeof(int)); if (ptr != NULL) { ps-> arr = ptr; } for (i = 5; i < 10; i++) { ps-> arr[i] = i; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", ps-> arr[i]); }//释放内存 free(ps-> arr); //先释放里面的 free(ps); return 0; }