[C++知识库]动态内存管理（动态内存函数的介绍，c/c++经典笔试题，柔性数组）

🎓为什么存在动态内存分配

常见的创建变量，开辟空间，分配内存的方式如下：

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

??上面的方式称为静态开辟，它有如下几个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在声明的时候，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内存开辟了。

如通过下面的简单例子，你就明白，下面是一个简略的未完善的代码：
假设我创建一个学生结构体数组，结构体成员包括姓名，性别，年龄，假设我首先静态的给数组开辟100个元素空间，之后向里面又添加元素，但慢慢的里面的元素个数会超过我们定义的最大元素个数，可能之后造成数组越界，不够用等情况，所以这种情况我们可以动态的开辟数组空间，够了就用，不够继系开辟即可。

#include<stdio.h>
#define MAX 1000//初始大小,100个学生
#define ADD 5//增加5个学生
 struct student
{
	char name[20];
	char sex[4];
	int age;
	
}student;
 //静态版本
//struct student data[MAX];
 //动态版本
 struct student *data;
 void add(struct student* pc)
 {
	 data = (struct student*)malloc((MAX+ADD) * sizeof(struct student));
	 if (data == NULL)
	 {
		 perror("InitContact");
		 return;
	 }
	 //.............................
	 //.............................
 }
 int main()
 {
	 add(data);
	 return 0;
 }

🎓动态内存函数的介绍

??malloc和free

这两个函数总是成对出现的，一个开辟内存，一个释放内存，这两个函数的单独使用极有可能会导致程序出错。
动态内存开辟的函数malloc

函数原型 void* malloc (size_t size);
函数说明

• 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
• size_t size表示开辟几个字节大小的空间
• 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。

动态内存释放函数free

函数原型 void free (void* ptr);
函数说明

• -ptr 传过来的是开辟空间的起始地址， 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,如果为空指针什么也不会发生
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。 free函数释放内存空间后，并不会将接受开辟空间起始地址的的指针置为空指针

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中，接下来我举一个开辟内存释放内存的例子：

#include <stdlib.h>
int main()
{
	//动态内存开辟的
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//void*
	//使用这些空间的时候首先判断空间是否开辟成功
	if (p == NULL)
	{
	
		perror("main");//如果在main函数里面，开辟空间失败，通过perror函数打印错误信息
		return 0;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//通过指针加减整数的方式赋初值
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//p[i] --> *(p+i)这两种访问方式等价的，p指向开辟的那块空间的起始地址，
//相当于数组名通过数组名加下标的方式访问访问开辟的空间

	}

	//回收空间
	free(p);///free函数释放P指向的内存空间，但不会把p指针里面地址的内容释放，这可能就会造成，p又通过地址访问之前的内存空间，造成内存非法访问
	p = NULL;//所以自己动手把p置为NULL
	return 0;
}

💏💏这里有几个细节的地方学要注意：
malloc开辟空间后，free函数释放P指向的内存空间，但不会把p指针里面地址的内容释放，这可能就会造成，p又通过地址访问之前的内存空间，造成内存非法访问，所以一定要手动的把把P置为NULL

??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。

函数原型如下： void* calloc (size_t num, size_t size); 函数说明：

• 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。

举个例子我们使用calloc开辟10个整形空间的大小

#include <stdlib.h>
int main()
{
	//int*p = (int*)malloc(40);
	int* p = calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
		return 1;//如果为空直接结束后面的执行

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

打印calloc开辟空间里面的内容如图：

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

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，那为了合理地管理内存，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);
函数说明：

• 这个函数可以在原有的其它内存函数开辟空间的基础上，继系管理空间的大小，也可以自己重新开辟一块新的内存空间，开辟空间时不初始化里面的内容。
• ptr 是要调整的内存地址（原内存的起始地址）， size 为调整之后内存空间的新大小 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时，如果原内存空间后面有足够的空间则开辟相应的空间，如果原内存空间后面没有足够的空间可以开辟，就在堆区重新找一块空间开辟内存，之后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

以下面的的代码为例，下图分析两种情况：
情况一：

情况二：

#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(3, sizeof(int));//开辟3个大小的整形空间

	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
	
	//如果这里需要p指向的空间更大，需要6个int的空间
	//realloc调整空间

	int*ptr = (int*)realloc(p, 6*sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 6; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//回收空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

??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，如果原内存空间后面没有足够的空间可以开辟，就在堆区重新找一块空间开辟内存，之后还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

🎓常见的动态内存错误

👀对NULL指针的解引用操作

空指针就是没有任何指向的指针，不能对它进行解引用，加减整数等操作，任何对它的操作都是不和法的，都会造成程序的崩溃。malloc函数在开辟内存失败时，会返回空指针，所以在对malloc函数开辟的空间进行使用之前要判断是否为返回空指针。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10000000000000000);
	//开辟失败，返回空指针没有判断就使用
	//使用

		int i = 0;
		for (i = 0; i < 6; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}

}

👀对动态开辟空间的越界访问
其实这个很好理解，就像静态的创建10个数组元素，你可不能访问20个元素啊；如下面的代码，malloc动态的开辟了10整形大小的空间，下面使用空间时却访问了40个整形元素，这也是不合法的。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//越界访问
	for (i = 0; i < 40; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

🔧🔩对非动态开辟内存使用free释放
通过什么方式创建，就要通过什么方式释放

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };//栈区
	int* p = arr;
	//使用
	
	free(p);//使用free释放非动态开辟的空间
	p = NULL;

	return 0;
}

??使用free释放一块动态开辟内存的一部分free（p），p一定要指向开辟空间的起始位置，这样才能释放开辟的整块动态空间，如果p因为使用原因进行了移动一定要定义另一个指针记录p的开始指向位置，否则进行的内存释放是局部的内存释放。下面代码中通过指针的移动对空间内容进行了赋值，p发生了移动，但没有记录p的起始位置。

int main()
{
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;

	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p++ = i;
	}
	
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

🎸🎧对同一块动态内存多次释放
对于开辟的一块动态空间，一次释放就行，但有时由于程序的复杂，在多个函数里面使用这块空间，也就可能会进行多次释放。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//使用
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	test（）
	{
	//释放
	free(p);
	return 0;
	}
	
}

👻🤡动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
如下p是局部变量,出了这个函数就销毁了，下面的main 函数里面就不能使用了，之后就找不到p原来指向的空间的内容了，下面就不能把这块空间释放掉,造成内存泄漏，时间一长会消耗很多内存，如果服务器里面有内存泄漏，导致这个服务器崩溃。

 void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)//p是局部变量,出了这个函数就销毁了
		
	{
		
		return;
	}
	else
	{
		//使用
	}
	//一块空间开辟了自己用，用完了一定要记得释放,这里不释放，下面就不能把这块空间释放掉,造成内存泄漏
}

int main()
{
	test();//函数调用
	//....
	return 0;
}

🎓几个经典的笔试题

📝题目一：
首先思考这个代码有哪些问题？？

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;
}

这个代码有两个问题：

?1. 对空指针的使用
? 2. 存在内存泄漏

图示解释📐????

??代码修改的两种方法
??在函数调用时，传值调用是无法改变实参的大小的，要传地址。

//改1
void GetMemory(char** p)//用二级指针来接收
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);//传一级指针的地址

	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//改:2
//char* GetMemory(char* p)//改变函数的返回值，返回动态开辟空间的起始地址（char*）
//{
//	p = (char*)malloc(100);
//	return p;
//}
//void Test(void)
//{
//	char* str = NULL;
//	str = GetMemory(str);
//	strcpy(str, "hello world");
//	printf(str);//?
//	//printf("hello world");//char *p = "hello world";
//	free(str);
//	str = NULL;
//}
//int main()
//{
//	Test();
//	return 0;
//}

📝题目二：
?静态开辟的空间是在栈上，栈上开辟的空间出了作用域就销毁了，动态开辟的空间是在堆上开辟的，要么自己手动释放空间，要么程序结束自动释放空间。所以下面的代码，随机打印内存中的一些值，没有达到预想到的效果。

//GetMemory 函数内部创建的数组是在栈区上创建的
//出了函数，p数组的空间就还给了操作系统
//返回的地址是没有实际的意义，如果通过返回的地址，去访问内存就是非法访问内存的

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);//没有返回确定的地址，随机打印内存中的一些值
}

📝题目三
?返回&x是无效的，局部变量返回地址是无效的

int test (void)
{
	int x = 10;
	return (&x);
}

📝题目四
?局部变量不初始化，随机赋值，导致指向不明确，解引用有问题，野指针问题。

int test(void)
{
	int *x;
	*x = 10;
	return x;

}

📝题目五
?开辟空间没有free释放掉

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;
}

📝题目六
?动态空间开辟好后，free释放开辟的空间，那么维护开辟空间起始位置的指针也应该置为空指针，这是紧紧相连的步骤，不可缺少。虽然free(str)释放了开辟好的空间，但str里面任然存储着开辟空间的起始地址，free不会释放strl里面的内容的，导致非法访问，导致程序错误。

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	//这里可以加上str=NULL就对了
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

🎓 C/C++程序的内存开辟

💡C/C++程序内存分配的几个区域如下图：
不同的变量，程序在内存中占有不同的区域，理解他们所在的区域，理解他们的作用域与生命周期，可以帮助我们更好地编写程序。

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。
   编译产生的可执行代码（可执行程序）是放在代码段区域的，常量字符串
   也是放在代码段里面的。
   💡有了这幅图，我们就可以更好地理解static关键字修饰的局部变量了
   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。

🎓 柔性数组

柔性数组（flexible array）这个概念我们很少听到，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。我自己对于柔性数组的理解就是，柔性数组是定义在结构体当中的一个成员，它的起始大小为零，在使用过程中，根据情况的需要，通过动态内存开辟函数改变它的大小，达到数组内容改变的效果。
如：

struct S
{
	int n;
	int arr[];//大小是未知
   // int arr[0];//大小是未知,这种柔性数组的写法也对，大小未知，不是柔性数组，这个写法就是非法的
};

??柔性数组的特点：

• 结构体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。

?? 如下代码进行结构体的大小的计算：

#include<stdio.h>
 struct s 
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}a;


int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s ));//输出的是4
	return 0;
}

下面为柔性数组的简单使用：
代码一
首先数组元素个数为10个,不够时再动态的开辟为20个

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;//4
	int arr[0];//大小是未知
};

int main()
{
	//期望arr的大小是10个整形
	struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
	ps->n = 10;
	int i = 0;
	//使用柔性数组
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//增加数组元素个数
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+20*sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		ps = ptr;
	}
	//使用和上面的一样
	
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}
/

🙉可能有老铁觉得，柔性数组的存在是多余的，没有柔性数组，我也可以可以创建一个结构体的数组成员，实现动态的变化，那我们通过下面的代码简单的来分析一下吧，我们不使用柔性数组，实现上面柔性数组的功能，对比一下
代码二

#include<stdio.h>
struct S
{
	int n;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->n = 10;
	ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ps->arr == NULL)
		return 1;
//使用数组
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//增加
	int*ptr = realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用和上面的一样只是数组元素改变

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

🙉通过以上代码和图示分析，为了实现柔性数组的功能，我们通过上面的代码会存在如下的问题：

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：方便内存释放包含柔性数组的空间开辟只需要一次malloc,不包含的需要两次malloc,两次free释放内存
第二个好处是：再由空间局部性原理可知，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。多次开辟堆上面的空间，导致堆空间残留许多未被利用的内存块（内存碎片），占用内存，影响程序运行。

上面所写的内容只是一些基础的知识点，和本篇博客内容相关的博客文章可以参考这位大佬的文章：C语言结构体里的数组和指针
扩展阅读：
《高质量c/c++编程》这本书里面后面的附录里面有本篇博客一些笔试题的原题，及其他的一些题目知识点，其次这本书对于我们形成好的代码风格，编写高质量的程序也有帮助，值得一读，网盘分享链接链接：https://pan.baidu.com/s/1AOUSdyas7N1YP-XqQ2rFZQ
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