C语言初学者笔记【动态内存管理】

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一、为什么需要动态内存分配？

已掌握的内存开辟方式：

· int val = 20; → 栈上开辟4字节
· char arr[10] = {0}; → 栈上开辟10字节连续空间

局限性：

· 空间大小固定
· 数组长度必须在编译时确定

动态内存分配的优势：

· 程序运行时才能确定所需空间大小
· 动态申请和释放，更灵活

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二、malloc 和 free

1. malloc

void* malloc(size_t size);

· 成功：返回指向开辟空间的指针
· 失败：返回 NULL
· 返回值类型为 void*，需强制转换
· 若 size = 0，行为未定义（编译器决定）

2. free

void free(void* ptr);

· 释放动态开辟的内存
· 若 ptr 非动态开辟，行为未定义
· 若 ptr 为 NULL，函数什么也不做

示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {int num;scanf("%d", &num);int* ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));if (ptr != NULL) {for (int i = 0; i < num; i++) {ptr[i] = 0;}}free(ptr);ptr = NULL; // 避免野指针return 0;
}

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三、calloc 和 realloc

1. calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);

· 为 num 个大小为 size 的元素开辟空间
· 并将每个字节初始化为 0
· 与 malloc 的区别：自动初始化

示例：

int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
// 输出：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2. realloc

void* realloc(void* ptr, size_t size);

· 调整已开辟内存的大小
· ptr：原内存地址
· size：新大小
· 返回新内存起始地址

两种情况：

1. 原空间后方有足够空间 → 直接扩展
2. 原空间后方不足 → 另找空间，拷贝数据，释放原空间

使用建议：

int* tmp = (int*)realloc(ptr, new_size);
if (tmp != NULL) {ptr = tmp;
} else {// 处理失败
}

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四、常见的动态内存错误

1. 对 NULL 解引用

int *p = (int*)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20; // 可能崩溃

2. 越界访问

for (i = 0; i <= 10; i++) {*(p + i) = i; // i=10 越界
}

3. 对非动态内存使用 free

int a = 10;
int *p = &a;
free(p); // 错误

4. 释放部分动态内存

p++;
free(p); // p 不指向起始位置

5. 多次释放同一块内存

free(p);
free(p); // 重复释放

6. 内存泄漏

void test() {int *p = (int*)malloc(100);// 忘记 free
}

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五、动态内存经典题目分析

题目1：

void GetMemory(char *p) {p = (char*)malloc(100);
}
// 错误：传值调用，str 仍为 NULL

题目2：

char* GetMemory() {char p[] = "hello world";return p; // 返回栈内存地址，危险！
}

题目3：

void GetMemory(char **p, int num) {*p = (char*)malloc(num);
}
// 正确：传地址，可修改 str

题目4：

free(str);
if (str != NULL) { // str 已成为野指针strcpy(str, "world"); // 非法访问
}

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六、柔性数组（Flexible Array）

1.定义

struct st_type {int i;int a[]; // 或 int a[0];
};

2.特点

· 必须是结构最后一个成员
· sizeof 不包含柔性数组内存
· 需用 malloc 动态分配额外空间

使用：

type_a *p = malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
p->i = 100;
for (int i = 0; i < 100; i++) {p->a[i] = i;
}
free(p);

3.优势

· 一次分配、一次释放
· 内存连续，访问速度快，减少内存碎片

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七、C/C++ 程序内存区域划分

区域 内容说明
栈区（stack） 局部变量、函数参数、返回地址等，系统自动分配释放
堆区（heap） 动态分配的内存，需手动管理
数据段（静态区） 全局变量、静态变量，程序结束释放
代码段 可执行代码、只读常量
内存映射段 文件映射、动态库、匿名映射
内核空间 用户代码不可访问

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总结

· 动态内存管理使得程序在运行时能灵活申请和释放内存
· 使用 malloc、calloc、realloc 申请，free 释放
· 注意避免常见错误：空指针、越界、重复释放、内存泄漏等
· 柔性数组适用于动态大小的结构体成员
· 理解内存区域划分有助于更好地管理内存

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