文章目录

一、为什么有动态内存分配二、malloc和free1.malloc函数的使用2.free函数的使用

三、calloc和realloc1.calloc函数的使用2.realloc函数的使用

四、常见动态内存分配的错误五、动态内存经典笔试题题1题2题3

六、总结C/C++中程序内存区域划分

一、为什么有动态内存分配

我们之前已经学过一些开辟内存的方法，就是创建变量时，操作系统给我们分配的空间，而内存大致分为以下3个大部分，如图：

我们创建局部变量或者是创建函数的形参时，就是在栈区开辟空间，如下：

<code>//在栈空间上开辟四个字节

int val = 20;

//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

char arr[10] = { 0};

当我们创建的是全局变量或者是static修饰的静态变量时，就是在静态区开辟了空间，如下：

//在静态区开辟一个字节的空间

char c = 'a';//全局变量

//在静态区开辟四个字节的空间

static int val = 20;

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度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整

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

C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间，就⽐较灵活了，而动态内存开辟的空间属于堆区，本文我们就详细介绍一下动态内存管理相关的函数和知识点

二、malloc和free

C语言的动态内存分配是通过库函数实现的，该节我们就来讲解其中的malloc函数和free函数的作用及用法，使用这两个库函数需要包含头文件<stdlib.h>

1.malloc函数的使用

malloc函数向内存的堆区申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针，我们来看看malloc的原型，并简单分析一下：

void* malloc (size_t size);

它的参数是一个无符号的size，它的单位是字节，就是在堆区开辟size个字节的空间，这个点要特别注意，很容易搞混

它的返回值是void*，返回的是开辟的空间的首地址，是一个没有类型的指针，为什么这么设计呢？因为不知道我们申请的空间到底是存放整型，还是字符型，或者说浮点型等等，所以设计成void*可以通用，在使用时我们就通过强制类型转换来对它进行改变

当然上面说的都是开辟成功的情况，如果malloc开辟空间失败了，那么就会返回一个NULL空指针

接下来我们来总结一下malloc的特点：

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* ，因为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

接下来我们举个例子来具体看看malloc怎么开辟空间的，就是用malloc来模拟实现数组的功能

这个例子需要动脑袋好好思考，在数据结构的顺序表有类似用法，只不过是realloc，接下来我们先写出代码再来分析：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main()

{

int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

if (arr == NULL)

{

perror("malloc");

return 1;

}

for (int i = 0; i < 5; i++)

{

arr[i] = i + 1;

printf("%d ", arr[i]);

}

return 0;

}

首先我们创建了一个整型指针arr，表示这个模拟的数组的首地址，由于malloc开辟的空间是连续的，所以我们申请完空间后就可以把这段空间当成数组来使用

注意malloc的参数的单位是字节，所以不能直接写5，那是元素个数，要求到最后的字节数，需要元素个数乘以每个元素的大小，并且注意malloc的返回值是void类型的，这里我们需要int的指针就强制转换一下

当然，我们要判断一下malloc放回的是否是空指针NULL，如果返回的是空指针，那么说明malloc开辟空间失败了，我们就需要打印一下开辟失败的原因，然后给出一个错误返回，结束程序，这是一个好习惯，我们可以在每次开辟空间时都判断一下，避免出错

如果不会perror函数的，可以参考文章：【C语言】字符和字符串函数(2)

随后malloc就帮我们在堆区开辟了5个连续的整型空间，就跟我们的数组一样，只是数组的空间一般在栈区开辟，接着我们就可以把arr当作5个元素的整型数组使用，其中arr是首地址，我们来看看代码运行结果：

可以看到代码很好地跑了起来，说明我们用指针和malloc实现了模拟数组的功能，那么是不是使用malloc函数申请完空间就不管了吗？我们接着学习下一个函数：free

2.free函数的使用

当我们使用内存函数开辟了空间，然后进行使用，使用完后这块空间是否会自动还给操作系统呢？是不会的，如果不释放，那么我们写的程序就会一直占用这段空间，无法让其他程序利用

所以当我们使用内存函数开辟了空间，使用完毕要手动的把这段空间释放了，否则会造成空间浪费，而free函数就是用来释放内存空间的函数，它的原型如下：

<code>void free (void* ptr);

它没有返回值，参数是一个未知类型的指针，free的作用就是从这个指针的地址开始从后释放我们开辟的空间

以下是它的两个需要注意的点：

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参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做

所以根据以上的描述，我们之前写的用指针和malloc模拟实现数组的代码还有点问题，就是我们使用malloc开辟了空间，但是没有释放掉，所以接下来我们就接着它继续写：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main()

{

int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

if (arr == NULL)

{

perror("malloc");

return 1;

}

for (int i = 0; i < 5; i++)

{

arr[i] = i + 1;

printf("%d ", arr[i]);

}

free(arr);

arr = NULL;

return 0;

}

我们将arr占用的空间释放掉后，arr实际上还是有值，存放的是之前空间的地址，free是释放掉空间了，不会改变arr里面存储的地址

所以此时arr存放的地址所指向的内容已经还给操作系统了，它指向那个位置没有作用，成了野指针，所以为了避免野指针，我们最后可以把arr置为空指针NULL，这样降低我们的代码的出错率

三、calloc和realloc

1.calloc函数的使用

calloc函数也是用来开辟空间的，只是使用方式和malloc有一点不同，效果都是一致的，我们来看看它的原型：

void* calloc (size_t num, size_t size);

它的返回值和malloc的含义一致，这里就不多讲了，我们主要来看看它的参数，它的参数和malloc有些不同，malloc只有一个参数，就是要开辟空间的字节数

而calloc有两个参数，num是我们要开辟的元素的个数，size是开辟一个元素占的字节数，malloc和calloc实际上可以互相转换写

比如我们刚刚使用malloc开辟了5个整型的空间，同样的我们可以使用calloc实现，如下：

int* arr = (int*)calloc(5, sizeof(int));

//等价于：

//int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

但是calloc和malloc还有一个比较大的区别，就是calloc开辟后的空间会把每个字节直接初始化为0，而malloc不会，我们来测试一下：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main()

{

int* arr = (int*)calloc(5 , sizeof(int));

if (arr == NULL)

{

perror("calloc");

return 1;

}

for (int i = 0; i < 5; i++)

{

printf("%d ", arr[i]);

}

free(arr);

arr = NULL;

return 0;

}

我们来看看代码运行结果：

可以看到，我们没有对arr这段空间做修改，只是使用了calloc来开辟空间，所以我们也可以得出，是calloc在开辟空间时，自动把开辟的空间初始化为0了

我们最后总结一下calloc的特点：

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

2.realloc函数的使用

有了前面两个函数来让程序员开辟空间确实增加了灵活性，但是一旦空间被开辟了也就被确定了，还是不能动态的根据需要申请空间，所以我们就有了另一个函数：realloc

它可以对malloc或者是calloc开辟的空间进行增容，它的出现也让动态内存开辟更加灵活

接下来我们来看看它的原型：

<code>void* realloc (void* ptr, size_t size);

我们先来看看参数，第一个参数是一个指针，它就是我们要增容的空间的地址，第二个参数就是我们要增容多少字节，这两个参数还是比较好理解，关键在于它的返回值

它的返回值是返回我们增容后的空间的首地址，但是会有两种情况：

当我们原空间后面的空间足够增容时，那么它返回的就是原空间的地址，如图：

此时我们要增容的空间比未分配的空间小，那么realloc就会直接在ptr的尾巴后面继续开辟空间，保持ptr空间的内容不变然后返回的也是ptr

但是还有另一种情况，就是我们需要增容的空间比未分配的空间大，那么它就会找另一个可以把原空间和增容空间一起放下的地方，把它们放进去，如图：

此时我们开辟的空间就不再是从原来空间开始了，所以返回的就是这个新空间的首地址ptr2，也就不是原来的ptr了，然后原空间的数据会被拷贝到新空间中

但是需要注意的一点是，如果realloc增容空间失败会返回空指针NULL，所以我们在使用realloc函数的时候就要比malloc和calloc小心一点，不能直接用ptr来接收realloc的返回值

因为malloc和calloc都是第一次开辟空间，此时没有数据存储在空间中，就算返回NULL指针也可以，但是realloc是增容空间，原空间是有数据的，如果realloc开辟空间失败了，那么此时ptr就是空指针，不仅增容失败了，之前的数据也找不到了

所以我们在接收realloc的返回值时，可以创建一个临时指针，然后判断它是否为空，不为空再把这个临时指针赋值给我们的ptr

我们还是以指针模拟数组那个例子来讲，现在我们觉得5个整型空间不够了，要再增容5个整型空间的方法如下：

<code>#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

int main()

{

int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

if (arr == NULL)

{

perror("malloc");

return 1;

}

//使用空间·····

//空间不够了，增容：

int* tmp = (int*)realloc(arrr, 5 * sizeof(int));

if(tmp == NULL)

{

perror("realloc");

return 1;

}

arr = tmp;

//使用增容空间，使用完毕后释放：

free(arr);

arr = NULL;

return 0;

}

最后我们再总结一下realloc可能会出现的两种情况：

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

四、常见动态内存分配的错误

对NULL指针的解引⽤操作：由于开辟空间的函数malloc、calloc和realloc如果开辟失败都会返回空指针，这时对它解引用就会造成错误，所以我们在使用前一定要判断一下它们返回的地址是否是空指针对动态开辟空间的越界访问：由于我们使用malloc或者calloc的时候开辟的空间还是固定的，比如开辟了10个整型，那么就只能使用10个整型，所以如果使用第11个整型的空间，那么程序就会报越界访问的错误对⾮动态开辟内存使⽤free释放：这样的操作是C语言标准未定义的，不同的编译器可能有不同的处理结果，也可能报错，所以如果没有使用动态内存开辟函数开辟空间，那么就不要使用free函数动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）：由于动态开辟的内存操作系统不会主动收回，所以即使我们不使用那些空间了，也会一直占用内存空间，如果大量动态开辟的空间占据了内存，那么就会造成内存泄漏

五、动态内存经典笔试题

题1

运行以下代码会发生什么？

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

void GetMemory(char* p)

{

p = (char*)malloc(100);

}

int main()

{

char* str = NULL;

GetMemory(str);

strcpy(str, "hello world");

printf(str);

return 0;

}

我们来分析一下这个代码，它想表达的就是，创建一个指针来看作字符串首地址，然后以它为基础使用GetMemory函数开辟内存空间，然后将hello world放入这个空间中，最后打印出来

那么这个函数真的实现了这样的效果了吗？我们来看看运行结果：

我们惊讶地发现程序居然什么都没有打印，这是为什么？有经验的人可能一眼就看出来了，问题就出在GetMemory函数的传参上，这里我们将str传了过去，使用p来接收，str和p都是同样的类型，通过p不能修改str，也就是说不能通过p为str开辟空间

我们也可以从实参形参的角度理解，str是形参，p是实参，我们给p申请了空间，但是由于形参不会影响实参，所以实参str并没有开辟空间，也就没有把hello world放进空间，自然打印不出来它

那我们要怎么做呢？要想修改str，为str开辟空间，那么我们传参时必须传高一级的参数，比如我们想要修改整型变量a，那么就要传a的地址，通过a的地址修改a

这里也是一样，我们要修改一级指针str，就要传一级指针str的地址，也就是一个二级地址过去，通过这个二级地址解引用来修改一级指针str，为它开辟空间，如下代码：

<code>#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

void GetMemory(char** p)

{

p = (char*)malloc(100);

}

int main()

{

char* str = NULL;

GetMemory(&str);

strcpy(str, "hello world");

printf(str);

return 0;

}

我们来看看运行结果：

可以看到，这样写才能实现我们的目的，这个题给了我们一个启发，就是遇到函数传参一定要小心，搞清楚是传值还是传地址

最后还有两点，也是最不容易发现的，一个就是malloc的返回值需要判断是否为空指针，还有一个更严重的问题是，使用了malloc却没有free，这是我们讲过的错误之一：内存泄漏

所以这个代码最好还要加上这两个步骤，这里我就不写了，可以自行加上

题2

运行以下代码会发生什么？

<code>#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

char* GetMemory(void)

{

char p[] = "hello world";

return p;

}

int main()

{

char* str = NULL;

str = GetMemory();

printf(str);

return 0;

}

做了练习1，我们看练习2就很眼熟了，可能也就猜到了是函数的问题，没错，这道题也是函数有问题，其实考点还是函数那一章，放在这里是呼应练习1

它的考点就是函数内部的变量属于这个函数的栈帧，当函数调用结束时，会回收空间，也就是会销毁函数中的变量

那么这里让p数组存放hello world，但是函数结束就把它释放掉了，那么最后返回的指针指向的空间就是已经被释放的空间，也就是野指针，所以最后打印的结果是未知的

我们来看看运行结果：

题3

运行以下代码会发生什么？

<code>#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <string.h>

int main()

{

char* str = (char*)malloc(100);

strcpy(str, "hello");

free(str);

if (str != NULL)

{

strcpy(str, "world");

printf(str);

}

return 0;

}

这个代码的问题很容易发现，一个是对malloc的返回值进行判断，这个就不说了，更大的问题在于free，我们走到free时，就把我们的str的空间给释放了，但是后面却没有给它置为空指针NULL

而是给它重新拷贝值，这是我们讲过的错误之一：非法访问，在free(str)执行后，str就成了野指针，所以后面的拷贝就是非法访问

六、总结C/C++中程序内存区域划分

在动态内存管理的最后，我们将C/C++中程序内存区域划分拿来总结一下C/C++程序内存分配的⼏个区域：

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，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代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码

分析图如下：

今天的分享就到此结束，在说再见之前告诉大家一件事，就是我的博客即将同步至腾讯云开发者社区，邀请大家一同入驻：https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=34m59s418000k

如果有什么疑问欢迎在评论区提出，bye~