【C语言】动态内存管理

苏貝貝2023-11-03 9:06

大家好，我是苏貝，本篇博客带大家了解动态内存管理，如果你觉得我写的还不错的话，可以给我一个赞👍吗，感谢❤️

目录

  • [一. 为什么存在动态内存分配](#一. 为什么存在动态内存分配)
  • [二. 动态内存函数的介绍](#二. 动态内存函数的介绍)
    • [2.1 malloc和free](#2.1 malloc和free)
    • [2.2 calloc](#2.2 calloc)
    • [2.3 realloc](#2.3 realloc)
  • [三. 常见的动态内存错误](#三. 常见的动态内存错误)
  • [四. 几个经典的笔试题](#四. 几个经典的笔试题)
  • [五. C/C++程序的内存开辟](#五. C/C++程序的内存开辟)
  • [六. 柔性数组](#六. 柔性数组)
    • [6.1 柔性数组的特点](#6.1 柔性数组的特点)
    • [6.3 柔性数组的优势](#6.3 柔性数组的优势)

一. 为什么存在动态内存分配

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：

  1. 空间开辟大小是固定的。
  2. 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

二. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数:

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

○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

○使用malloc函数后，一定要记得判断malloc函数的返回值是否为NULL

○要记得对malloc函数开辟的空间进行释放

C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，函数原型如下：

free函数用来释放动态开辟的内存。

○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

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中

示例1：

c 复制代码 
int main()
{
    //申请一块空间，用来存放10个整型
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//int* p = (int*)malloc(40);也可
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
		*(p + i) = i;
	for (i = 0; i < 10; i++)
		printf("%d ", *(p+i));
    //释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

示例2：

有些人可能会有疑问，malloc函数的返回值真的可能为NULL吗？一写代码便知

c 复制代码 
#include<limits.h>//INT_MAX的头文件

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4 * INT_MAX);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//...
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

malloc函数释放的空间是怎么释放的呢？

1.free函数释放-----主动释放（最好选择free函数释放）

2.程序退出后，malloc函数申请的空间会被操作系统回收-----被动

正常情况下，谁申请的空间谁释放。万一自己没有释放，也要叫别人释放

释放空间后，记得将原先指向这块空间的起始位置的指针变为NULL指针，否则释放空间结束后，该指针就成为野指针

2.2 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。原型如下：

○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全部初始化为0

所以我们如果想动态开辟一块空间，可以使用malloc或calloc函数。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

示例：

下面我们来证明一下calloc函数会将每个字节初始化为0

2.3 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，那为了合理的使用内存，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

ptr 是要调整的内存地址，size 调整之后的新大小，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大小的基础上，可能还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

即：realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

○1：原有空间之后有足够大的空间

○2：原有空间之后没有足够大的空间

情况1：后面有足够空间时，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。

情况2：后面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。此时会将旧的空间中的数据拷贝到新的空间中，再将旧的空间释放掉，再返回新的空间的起始地址

示例：

一开始我们动态内存开辟了16个字节的空间，后面发现不够，需要开辟40个字节的空间

注意：

realloc函数也可能会开辟空间失败，因此它的返回值也可能是NULL，所以不要用指针p直接接收函数返回值，否则p可能变成NULL指针

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//...
	int* tmp = (int*)realloc(p, 40);
	if (tmp != NULL)
	{
		p = tmp;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

三. 常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

如果p的值是NULL，就是对NULL指针解引用，这是非法的。所以一定要记得在使用malloc函数后，判断返回值是否为NULL指针

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	*p = 20;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

2.对动态开辟空间的越界访问

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问

	return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

非动态开辟的内存空间不能用free函数释放

c 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	return 0;
}

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

到最后free函数释放空间时，指针p指向的是第6个元素，所以只释放从第6个元素开始到空间末尾的空间，而第6个元素之前的元素所在的空间没有被free函数释放，这样并不好。所以我们最好一直让p指向开辟空间的起始位置

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

5.对同一块动态内存多次释放

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	free(p);
	free(p);//重复释放
	return 0;
}

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

在函数调用结束前未释放动态开辟的内存

c 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}

int main()
{
	test();
	while (1);
}

四. 几个经典的笔试题

请问运行下面的Test 函数会有什么样的结果？

4.1

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

程序崩溃了。test函数中，将str指针作为实参调用GetMenory函数，指针变量p是str的一份临时拷贝，它也是NULL。动态内存开辟空间，若开辟成功，p中存放的是开辟的空间的起始地址。出GetMenory，指针变量p的空间被释放。这次调用函数没有改变指针变量str，str仍是NULL，后面非法对NULL进行解引用操作，程序崩溃。这段代码还有一个问题，在退出程序前未释放开辟的空间，造成内存泄漏。

有人可能会对printf(str);这条语句的正确性产生质疑，其实该语句是正确的，只是我们平时确实不太用。解释：printf("haha");这条语句我们都知道是正确的，实际上这是将常量字符串haha的首元素h的地址传给printf函数，打印从该地址开始往后直到遇见\0停止的字符。那printf(str);就是打印从str指向位置开始往后直到遇见\0停止的字符。所以该语句是正确的

现在对上面代码修改使之成为正确的代码

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

这段代码调用GetMemory函数时，将值传递变为地址传递，*p就是str指针，动态开辟了100个字节的空间后，将空间起始地址传给str指针，再调用strcpy函数，最后释放空间

4.2

c 复制代码 
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

打印的是乱码。原因：GetMemory函数无参数，在函数里面定义的p数组在出函数时所占的空间被释放，即使返回了p数组的首元素地址并赋值给str，因为数组空间被释放，所以str是野指针

4.3

c 复制代码 
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;
}

根据我们对上面2段代码的解释，这段代码只是没有主动释放malloc开辟的空间，内存泄漏，所以如果要修改的话，只要free(str);str=NULL;

4.4

c 复制代码 
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

上面代码中，用malloc开辟了100个字节的空间，如果开辟成功的话返回的是开辟的空间的起始地址，再调用strcpy函数，然后释放掉开辟的空间。虽然开辟的空间被释放了，但是指针变量str仍然指向开辟空间的起始地址，此时str就是野指针，因为不是NULL，所以会调用strcpy函数，会对野指针进行操作，非法访问内存

五. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

  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(操作系统)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

有了这幅图，我们就可以更好的理解之前讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

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。

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

例如：

c 复制代码 
typedef struct sa
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}sa;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

c 复制代码 
typedef struct sa
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}sa;

6.1 柔性数组的特点

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

2.sizeof 返回的这种结构体大小不包括柔性数组的内存。

3.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。

示例1：

c 复制代码 
typedef struct sa
{
	char c;//1
	int i;//4
	int a[0];//柔性数组成员
}sa;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(sa));
	return 0;
}

根据结构体内存对齐，结构体的前两个元素就占了8个字节，结构体大小不包括柔性数组的内存。所以这也说明了第一个特点：结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

示例2：

c 复制代码 
typedef struct sa
{
	char c;
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}sa;

int main()
{
	sa* pc = (sa*)malloc(sizeof(sa) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
		pc->a[i] = i;
	for (i = 0; i < 5; i++)
		printf("%d ", pc->a[i]);
	free(pc);
	pc=NULL;
	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

上面示例2的代码如果不想写成柔性数组的形式，又要可变的话，那也可以写成下面这种形式。但这种形式需要2次malloc，2次free，所以不如柔性数组方便

c 复制代码 
typedef struct sa
{
	char c;
	int i;
	int *a;
}sa;

int main()
{
	sa* pc = (sa*)malloc(sizeof(sa) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc1");
		return 1;
	}
	pc->a = (int*)malloc(20);
	if (pc->a == NULL)
	{
		perror("malloc2");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
		pc->a[i] = i;
	for (i = 0; i < 5; i++)
		printf("%d ", pc->a[i]);
	//释放
	free(pc->a);
	pc->a = NULL;
	free(pc);
	pc = NULL;
	return 0;
}

柔性数组的好处：

1：方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。

2：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

好了，那么本篇博客就到此结束了，如果你觉得本篇博客对你有些帮助，可以给个大大的赞👍吗，感谢看到这里，我们下篇博客见❤️

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