高效利用内存资源之动态内存管理详解

南风与鱼2023-12-12 13:48

目录

一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数的介绍

2.1malloc

2.2free

2.3calloc

2.4realloc

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

3.2对动态开辟空间的越界访问

3.3对非动态开辟内存使用free释放

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5对同一块动态内存多次释放

3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

四、经典笔试题

🌴题目一：

🌴题目二：

🌴题目三：

🌴题目四：

五、C/C++程序的内存开辟

六、柔性数组

6.1柔性数组的特点

6.2柔性数组的使用

6.3柔性数组的优势

结语：

一、为什么存在动态内存分配

截止目前我们已经掌握的开辟空间的方式有以下两种：

cpp 复制代码 
int main()
{
	//在栈空间上开辟四个字节，存放一个值
	int a = 10;
	//在栈空间上开辟10个字节的连续空间，存放一组数
	int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

	return 0;
}

但是上述开辟空间的方式有两个特点：

  1. 空间开辟的大小是固定的。
  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，那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。这个时候C语言给了我们程序员一种权利：能够动态申请和管理内存空间，即动态内存的开辟。有了这种权力，我们就能很好的解决上述所面临的问题了。

二、动态内存函数的介绍

🌴函数头文件都是：

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>

2.1malloc

"malloc"函数用于动态分配指定大小的内存空间，并返回一个指向该内存空间的指针。

🌴函数原型：

cpp 复制代码 
void* malloc (size_t size);
  • 其中，size参数表示需要分配的内存空间的大小，单位为字节。
  • 函数返回一个指向分配的内存空间的指针，如果分配失败则返回 NULL。

🌴函数用法示例：

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
	//申请一块空间，用来存放10个整型
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//因为这个函数返回一个指向分配好的内存块开头的指针，
	//所以ptr这个指针变量相当于这块内存空间的首地址
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}

	return 0;
}

🌴打印结果：

🌴注意事项：

  1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
  2. 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。
  3. 返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
  4. 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。

malloc函数申请的空间有两种释放方式：

  1. free释放 --- 主动回收。
  2. 程序退出后，malloc申请的空间会被操作系统回收 --- 被动回收。

**注：**正常情况下，谁申请的空间，谁去释放，万一自己不释放，也要交代给别人记得释放。

2.2free

动态分配内存允许程序在运行时分配和释放内存，这对于处理大量数据或者需要灵活管理内存的程序非常重要。但是，如果不及时释放已经分配的内存，就会导致内存泄漏，最终可能导致程序崩溃。在C语言中，我们可以使用free()函数释放已经分配的内存。

🌴函数原型：

cpp 复制代码 
void free (void* ptr);

free函数非常简单，它只需要传入一个指向已经分配的内存块的指针，就可以将该内存块释放回操作系统。

🌴函数用法示例：

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main()
{
	//申请一块空间，用来存放10个整型
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	*ptr = 10;
	printf("ptr指向的值为：%d\n", *ptr);

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

🍄解析：

  • 在上述代码中，首先使用malloc函数分配一个整型变量的内存空间，并将其赋值给指针变量ptr。然后，将整型变量的值设置为10，并输出该值。最后，使用free函数释放了该内存空间。
  • 需要我们清楚的一点是，malloc的作用是申请一块空间供当前程序使用，而free函数的作用是把申请的这块空间还给操作系统。然而，free虽然将空间还给了操作系统，但指针变量ptr 却还记得申请的这块空间的地址，这时候它就变成了一个野指针，这是非常危险的，所以我们要在free释放完空间后将ptr置为空指针NULL。

🌴注意事项：

  1. 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。
  2. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

2.3calloc

"calloc"函数和"malloc"函数相似，都是用来分配内存的。不同之处在于"calloc"函数在分配内存时会将内存中的每个字节初始化为0。

🌴函数原型：

cpp 复制代码 
void* calloc (size_t num, size_t size);
  • "calloc"函数接收两个参数，分别是要分配的元素个数和每个元素的大小。
  • 它会分配总共 num*size 个字节的内存，并将这些内存空间初始化为0。

🌴函数用法示例：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
	//释放
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

🍄解析：

在上述代码中，首先使用calloc函数分配了10个整型变量的内存空间 ，并将其赋值给指针变量ptr。由于calloc函数会将分配的内存空间初始化为0，因此在使用循环输出ptr指向的内存空间时，会发现所有的值都是0。最后，使用free函数释放了该内存空间。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。

2.4realloc

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，即realloc函数用于重新分配之前通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块的大小。

🌴函数原型：

cpp 复制代码 
void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr：之前分配的内存块的指针。
  • size：新的内存块的大小。
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • realloc函数会尝试将之前分配的内存块的大小改变为size字节，并返回指向新内存块的指针。如果无法满足新的大小要求，realloc函数可能会在不同的位置重新分配内存块，并将原内存块的内容复制到新的内存块中。

🌴函数用法示例：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	//分配10个整型的内存块
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//初始化内存块
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ptr[i] = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);
	}
	//空间不够，希望调整空间为20个整型的空间
	int* p = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//释放
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

🌴注意事项：

1.realloc函数在调整内存空间时存在两种情况：

🍄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：

2.如果ptr为NULL，则realloc的行为类似于free，即它将分配一个新的内存块。

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错
	*p = 20;

	return 0;
}

🍂这时候鼠标点上去编译器就会提示你有错误：

🌴正确写法：

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}
	//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错
	*p = 20;

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.2对动态开辟空间的越界访问

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//初始化内存块
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		ptr[i] = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		printf("%d ", ptr[i]);//当i是10的时候越界访问
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

cpp 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

上述代码中的变量a是我们在栈上面开辟的空间，而free只能释放malloc、calloc、realloc开辟的空间，它们都是在堆区上面开辟空间。

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//初始化内存块
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*ptr = i;
		ptr++;
	}
   // 0 1 2 3 4 0 0 0 0 0
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

在上述代码中，我们初始化内存块的时候，刚开始*ptr指向所开辟的这块空间的第一个元素，将它初始化为0，然后ptr++，指向第二个元素，初始化为1，直到循环结束，所开辟的这块空间前5个元素就会被初始化为0 1 2 3 4，而因为它是calloc开辟的空间，所以剩下的5个元素就会被初始化为0 0 0 0 0。而现在当这个循环结束的时候ptr++，它会指向第6个元素，紧接着直接释放内存，这个时候程序就会出现问题。所以我们要释放也是全部释放。

3.5对同一块动态内存多次释放

cpp 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		//...
		return 1;
	}
	free(p);

	//...
	free(p);

	return 0;
}

解决办法是第一次释放完空间后将p置为NULL指针，因为当free函数的参数为NULL指针是它什么事也不做。

3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

cpp 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

忘记释放不在使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏，切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

四、经典笔试题

🌴题目一：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{
	Test();

	return 0;
}

🍂解析：

上述这段代码运行起来后最终会崩溃。首先程序运行起来后先进入main函数，然后调用Test函数，进入Test函数后，创建指针变量str并将它置为NULL指针。紧接着再调用GetMemory函数，将实参str传给形参p，并将str的值也一并传给了形参，然后malloc开辟100个字节的空间并将它的起始地址返回给p，即p指向此时开辟的这100个字节的空间。当它返回被调用的GetMemory函数时，因为它是形参，一旦函数执行完毕，形参的值和状态将不再保留，所以p所占用的内存空间将会被释放，但malloc开辟的这块空间还存在，此时因为p不见了，所以没人能找到这块空间。函数继续往下执行，要将"hello world"拷贝到str指向的空间，但因为str是空指针，这儿必然会对空指针进行解引用操作，所以会出现程序崩溃的情况。而且程序运行结束时，malloc开辟的空间也没有释放，所以还会发生内存泄漏的情况。

🌻改正后的代码：

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

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;
}

因为形参是实参的一份临时拷贝，所以改变形参并不会影响到实参。在上面改进后的代码中，我们将str的地址传给形参，并用二级指针变量来接收，然后解引用p，找到str让他指向malloc函数开辟的空间，就可以将"hello world"拷贝过去了。

🌴题目二：

cpp 复制代码 
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

🍂解析：

在上述代码中，我们还是先进入主函数，然后调用Test函数，进入Test函数内部首先创建str指针变量并将它置为NULL指针，然后调用GetMemory函数并将它的返回值赋给str，进入GetMemory函数内部，创建一个数组，里边存放的是"hello world"，这儿我们应该清楚这个p数组它是在栈上边创建的，进入这个函数创建，出这个函数销毁。然后返回p（此时p是数组名，代表的是数组首元素的地址），str接收返回的p，此时，str里边存放的就是p的地址值，但是，虽然将地址值带回来了，创建的那块空间却不属于我了（因为出了函数后，创建的空间就会还给操作系统，它的使用权限就不属于我了）。所以，当我们再去使用str指针的时候，它就会变成野指针，这种问题属于返回栈空间地址的问题。

要想解决这个问题也很简单，第一种方法可以在局部变量char p[ ]前面加关键字static修饰，这样它就变成了静态局部变量，它会一直存在于内存中，直到程序结束。第二种方法是用malloc函数来开辟空间，只要程序不退出或主动回收，这块空间就一直存在。

🌴题目三：

cpp 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);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

🍂解析：

上面这段代码虽然能打印出结果来，但它在使用完malloc开辟的空间后没有将它释放，所以说存在内存泄漏的问题。

🌴题目四：

cpp 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);
	}
}

//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

🍂解析：

上面这段程序将"hello"拷贝到malloc函数开辟的空间后，直接将这块空间释放掉了，但str还是存着这块空间的地址，所以在if语句中判断时，它依然为真，那就进入函数内部，将"world"拷贝到str指向的这块空间的地址，此时的str已经变成了野指针，对野指针进行操作，就是非法访问内存。

其实这段代码考察的点在free释放完空间后有没有将str置为NULL指针。

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

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：

cpp 复制代码 
struct s
{
	char c;
	int i;
	int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

cpp 复制代码 
struct s
{
	char c;
	int i;
	int arr[];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

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 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

cpp 复制代码 
struct s
{
	char c;//1
	int i;//4
	int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s));

	return 0;
}

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。

cpp 复制代码 
struct s
{
	char c;
	int i;
	int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

int main()
{
	struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	//释放
	free(pc);
	pc = NULL;

	return 0;
}

6.2柔性数组的使用

cpp 复制代码 
//代码1
struct s
{
	char c;
	int i;
	int arr[];
};

int main()
{
	struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		peror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->c = 'w';
	pc->i = 100;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		pc->arr[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", pc->arr[i]);
	}
	//空间不够了，增容
	struct s* ptr = (struct s*)realloc(pc, sizeof(struct s) + 40);
	if (ptr != NULL)
	{
		pc = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//增容成功后，继续使用
	// ......
	
	//释放
	free(pc);
	pc = NULL;

	return 0;
}

6.3柔性数组的优势

🌵上述的代码也可写成下面这样：

cpp 复制代码 
//代码2
struct s
{
	char c;
	int i;
	int* data;
};

int main()
{
	struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);
	if (pc == NULL)
	{
		peror("malloc1");
		return 1;
	}
	pc->c = 'w';
	pc->i = 100;
	pc->data = (int*)malloc(20);
	if (pc->data == NULL)
	{
		perror("malloc2");
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		pc->data[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", pc->data[i]);
	}
	//空间不够了，增容
	int* ptr = (int*)realloc(pc->data, 40);
	if (ptr != NULL)
	{
		pc->data = ptr;
		return 1;
	}
	//释放
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;

	free(pc);
	pc = NULL;

	return 0;
}
cpp 复制代码 
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

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。

🍂第二个好处是：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。

结语：

动态内存分配是一项强大而灵活的功能，它允许程序再运行时动态的分配和释放内存。然而，与之相伴而来的是一些潜在的问题和风险。在使用动态内存时，我们需要特别注意内存泄漏、野指针、内存碎片等问题，以及合理的管理内存的生命周期。

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