内存动态管理

在C语言代码中，定义一个变量，就会在内存中申请对应变量类型的空间，用于给变量存放数据。例如：

long num; //定义long类型的变量，申请 4 个字节的内存空间

char buf[8]; //定义数组，数组元素是char类型，每个元素占用1个字节空间，数组总共占用8个字节空间；

那么，我们来开发一个图书馆管理系统，在代码中定义一个函数，获取图书馆中图书的数量，代码如下：

程序编译运行的结果如下：

可以看到，编译的时候，有一个“warning”警告，提示在get_book_num()函数中返回一个局部变量的地址。

运行程序，调用get_book_num()函数，在该函数中定义一个int类型的局部变量，如下：

int book_num = 168;

定义的book_num变量是一个局部变量，存放图书馆图书数量，然后，get_book_num()函数返回该book_num变量的地址。

在main()函数中，接收get_book_num()函数的book_num变量的地址，然后，通过指针，访问book_num变量的值。最终，发现访问book_num变量的值，是错误的值，而不是get_book_num()函数中定义的168这个数值。为什么？

此时，就涉及到两个问题：

(1) 局部变量生命周期的问题；

(2) 内存堆和内存栈的问题；

弄清楚了这两个问题，就知道get_book_num()函数返回的book_num变量地址为何不可以使用，我们应该怎么样设计程序，让get_book_num()函数实现正确的功能。

一个程序被加载到系统中运行，程序中定义的变量、函数就会被加载到内存中，由CPU进行运算，运行程序。

那么，程序中定义的变量、函数加载到内存中，有两种存储区域：内存堆和内存栈。它们有如下的定义：

(1) 内存栈上存储的数据，会被自动销毁。数据的生命周期结束的时候，内存栈上的数据被清除。

(2) 定义局部变量，是在内存栈上申请空间。局部变量的生命周期结束时，该变量就会从内存栈上清除。

(3) 内存堆上存储的数据，不会被自动销毁。必须在代码中进行释放（开发人员必须要手动释放），否则程序不会自动销毁内存堆上的数据。

此时，我们学习了内存栈和内存堆的定义，就知道了上面程序问题的原因，是因为：

(1) 在get_book_num()函数中定义的book_num变量是局部变量，该变量是在内存栈上申请空间，存放book_num变量的数据。

(2) 在main()函数中调用get_book_num()函数，获取内存栈上book_num变量的地址，并存放到pnum变量中。但是，退出get_book_num()运行之后，book_num局部变量被销毁。

(3) book_num局部变量在内存栈上被销毁之后，pnum指针存放book_num变量的地址，通过pnum指针访问book_num变量的值，就是一个随机的数据（因为，局部变量已经被销毁）。因为book_num局部变量在内存栈上被销毁之后，地址被系统回收，重新存放其他数据。

在上面的例子中，我们调用get_book_num()函数之后，再调用func()函数，就是为了让程序操作内存栈，回收book_num局部变量的空间。如果把func()函数给屏蔽，发现pnum指针可以正确获取到168这个数值。

所以，需要调用func()函数，让程序操作内存栈，回收book_num局部变量申请的内存栈空间。

此时，我们知道了问题的原因，那么，怎么样解决这个问题？

我们知道“内存堆”上的数据不会被系统自动销毁，那么，可以把book_num变量的数据存储到“内存堆”上，退出get_book_num()函数之后，数据不会被自动销毁，就可以通过pnum获取到正确的数据了。

那么，怎么样在“内存堆”上存放数据？

在C语言中，提供了malloc()、free()等函数，用于内存动态管理。可以在内存堆上申请和销毁空间。函数的定义如下：

//在内存堆上申请 num 个连续的内存块, 每个内存块是 size 个字节;

//空间的总容量是 num*size 个字节;

//就相当于一个数组, num是数组元素的个数, size 是每个元素的字节大小;

//成功返回申请到内存空间的首地址, 失败返回 NULL;

void *calloc( size_t num, size_t size );

//释放内存堆上的空间, 参数 ptr 是需要释放内存堆的首地址;

void free( void *ptr );

//在内存堆上申请 size 个字节的内存块;

//成功返回申请到内存空间的首地址, 失败返回 NULL;

void *malloc( size_t size );

//调整内存堆上的空间容量, 修改参数 ptr 指向内存块的容量;

//参数 size 是新调整后的内存块容量;

//成功返回申请到内存空间的首地址, 失败返回 NULL;

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

那么，我们修改上面的程序，在get_book_num()函数中，调用malloc()函数，在内存堆上申请存储空间，存放图书数量的值。程序代码如下：

程序的编译和运行结果如下：

可以看到，在get_book_num()函数中调用malloc()函数，申请内存堆上的空间，然后，返回申请到的空间首地址。

由于内存堆上的数据不会被系统自动销毁，所以，退出get_book_num()函数之后，内存堆上申请的空间还存在，所以，通过pnum指针访问内存堆上的数据，可以正确获取到内存堆上存储的数据。

最后，内存堆上申请的空间，需要调用free()函数进行释放。

在内存堆上申请内存空间的时候，函数的返回值是void*类型，那么，我们可以通过指针强制类型转换，转换成我们对应的类型，例如：

//申请16个字节的空间,返回申请到的内存空间首地址;

char* p = (char*)malloc(16);

//申请8个int类型的空间,返回申请到的内存空间首地址;

int* p1 = (int*)malloc(8*sizeof(int));

注意，下面讲解的是结构体类型，这个知识点我们在后面再深入详解。这里，我们只是结合malloc()函数的使用，讲解malloc()函数返回的void*类型，可以转换成其他指针类型。

因为，我们在程序设计中，经常用到malloc()函数申请内存块，存放结构体变量的数据，所以，这里，作者结合实际的开发经验，就穿插提前讲解结构体类型和malloc()函数的使用。

下面，是使用calloc()函数来创建一个内存块，相当于创建一个结构体类型的数组。

//定义一个结构体类型;

struct test

{

int x;

int y;

};

//申请3个连续空间的struct test结构体变量, 等效于 struct test pt[3]; 数组;

struct test* pt = (struct test*)calloc(3, sizeof(struct test));

因为动态申请的内存空间可以用于存放任何数据，所以，返回的是void*类型的指针。然后，根据用户自己的定义，想存放什么类型的数据，就转换成对应的指针类型。