C语言动态内存管理

小夏同学～～～2024-03-24 13:05

  • 目录

  • 动态内存函数

  • 1、为什么需要开辟动态内存？

  • 2、动态内存函数

  • 2.1 malloc

  • 2.2 free

  • 2.3 calloc

  • 2.4 realloc

  • 3、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）

  • 4、有关动态内存的经典笔试题

  • 题目1

  • 题目2

  • 题目3

  • 题目4

  • 柔性数组

  • 1、柔性数组特点与使用

  • 动态内存函数

1、为什么需要开辟动态内存？

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：

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，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。也就是说当我们在定义变量时并不知道会使用多少的内存，这时候就需要进行动态内存开辟！

上述两种开辟内存方法一个在栈上开辟，一个在堆上开辟。

在C语言<stdlib.h>或<malloc.h>内置的库中有能够进行动态内存开辟的库函数。

2、动态内存函数

2.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

//Allocates memory blocks.
 
void *malloc( size_t size );
参数size_t表示需要开辟的内存的字节数。该函数会返回开辟好内存的首地址，如果开辟失败返回NULL。

比如使用malloc函数开辟拥有10个整型元素的数组，那需要开辟的字节数为40字节。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    //使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
    int* arr = NULL;
    int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//为数组开辟内存
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
    }
    arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        arr[i] = i + 1;//使用这块动态内存
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    //使用完动态内存要free
    free(arr);
    arr = NULL;
    return 0;
}

因为malloc函数的返回值类型为void*，所以需要将已经开辟好的内存的首地址强制转换成整型指针类型。

输出结果为：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

2.2 free

//Deallocates or frees a memory block.
 
void free( void *memblock );
参数void *memblock表示动态开辟内存的首地址，注意这个地址只能是动态开辟内存的首地址，其他的地址都不行！如果传入的地址为NULL，则这个函数什么都不会做。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    //使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
    int* arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
    if (arr == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    //动态空间使用完之后，一定要释放掉
    free(arr);
    arr = NULL;//内存释放后，将指针变量置空
    return 0;
}

对于动态内存开辟的空间，开辟的地址是在堆上的，使用完了是需要返还给操作系统的，C语言中专门有一个回收动态开辟内存的函数------free。当然，程序结束时，会自动释放内存。

内存泄漏的危害：

如果动态内存已经使用完了，但不还给操作系统，也就是没有释放内存，就有可能造成内存泄漏的风险。对于其危害，举个栗子，如果在服务器上存在内存泄漏，则可能造成服务器崩溃。因为服务器是一直工作的，一旦存在内存泄漏，使用完的内存不还回去，久而久之，服务器内存被占用的越来越多，终有一天由于内存不足而造成服务器崩溃。

在释放完动态内存空间了之后，需要将指针变量arr赋值NULL。这是因为，释放空间的意思是，把内存空间还给操作系统，也就是把使用内存的权力还给系统，我们用户将不再有使用这块空间的权力。但是，我们在程序中依然保留了动态空间的地址，所以为了数据不泄露，我们需要把指针变量赋值NULL，这样就再也找不到我们开辟过的动态空间了。

2.3 calloc

该函数功能与malloc非常相似，仅仅多了个初始化的功能，就是说在动态内存开辟时，自动将内存中的元素初始化为0。

//Allocates an array in memory with elements initialized to 0.
 
void *calloc( size_t num, size_t size );
参数size_t num表示元素个数，size_t size表示每个元素所占字节数大小。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    //使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
    int* arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
    if (arr == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    //动态空间使用完之后，一定要释放掉
    free(arr);
    arr = NULL;//内存释放后，将指针变量置空
    return 0;
}

输出结果：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

2.4 realloc

该函数能够在保留原数据的情况下，对动态申请内存的大小进行调整，通常用来对数组或者链表等数据结构进行扩容。该函数在调整动态内存大小时有以下两个细节：

1、如果原申请内存地址后连续空间大于调整空间大小，则在原地址进行内存调整。

2、如果原申请内存地址后连续空间小于调整空间大小，则在其他内存足够地方进行调整，并将原数据拷贝到新内存和释放原来申请内存的空间。

如果调整失败，返回NULL，调整成功返回新申请内存的首地址。

//Reallocate memory blocks.
 
void *realloc( void *memblock, size_t size );
参数void *memblock表示需要调整空间的首地址（必须为动态开辟的内存空间），参数size_t size表示调整后内存的字节数。

将动态申请的整型数组元素个数调整至20。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    //使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
    int* arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
    if (arr == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
    }
    int* ptr = realloc(arr,sizeof(int) * 20);
    if (ptr == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
    }
    arr = ptr;
    for (int i = 0; i < 20; i++)
    {
        arr[i] = i + 1;
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    //动态空间使用完之后，一定要释放掉
    free(arr);
    arr = NULL;//内存释放后，将指针变量置空
    return 0;
}

输出结果为：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

3、常见的动态内存错误

3.1、对NULL指针的解引用操作

错误示范

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
    *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
    free(p);
}

改正

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存申请失败！\n");
        exit(-1);//强制结束程序
    }
    *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
    free(p);
}

使用动态内存函数开辟空间，一定要进行判断，是否成功开辟动态空间，开辟失败会返回NULL空指针，这会影响到我们后面的程序。

3.2、对动态开辟空间的越界访问

错误示范

void test()
{
    int i = 0;
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (NULL == p)
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
    }
    free(p);
}

改正

void test()
{
    int i = 0;
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (NULL == p)
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
    }
    free(p);
}

动态内存不可以越界访问。

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

错误示范

void test()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的，程序会崩溃
}

改正

void test()
{
    int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
    if (a == NULL)
    {
        exit(-1);//强制结束程序
    }
    *a = 10;
    int* p = a;
    free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的，程序会崩溃
    p = NULL;
    a = NULL;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

错误示范

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    p++;
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，程序崩溃
}

改正

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，程序崩溃
    p = NULL;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

错误示范

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    free(p);
    free(p);//重复释放，程序崩溃
}

改正

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

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

错误示范

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
}
int main()
{
    test();
    while (1);//内存忘记示范，内存泄漏，程序崩溃
}

改正

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
    free(p);
    p = NULL;//好习惯
}
int main()
{
    test();
    while (1);
}
4、有关动态内存的经典笔试题
题目1
void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}
这个程序会崩溃。原因是，

1、str传给p的时候，是值传递，p是str的临时拷贝，所以当malloc开辟的空间起始地址放在p中的时候，不会影响str。str依然为NULL。

2、当str是NULL，strcpy想把hello world拷贝到str指向的空间时，程序就崩溃了。因为NULL指针指向的空间是不能直接访问的。

题目2
char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

p为GetMemory函数内部的局部变量，该函数运行完后，其栈帧被销毁，在函数外得到返回的地址并访问属于非法访问，打印该地址的字符串，如果该空间没有被覆盖，能够打印hello world，否则打印随机值。调用printf函数是有可能覆盖该地址的，所以极大概率打印的是随机值。

输出结果为

烫烫烫烫烫烫烫烫8

题目3
void GetMemory(char **p, int num)
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

该程序虽然会输出hello，但是是存在内存泄漏的，因为最后并没有释放申请的内存。

题目4

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

输出world，将一个动态申请的空间释放，传入的指针变量是不会置空的，会成为一个野指针，所以我们要养成一个好习惯：释放一个空间，应将其传入的指针置空！

柔性数组
1、柔性数组特点与使用
typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}type_a;
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。

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。

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
 
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
    return 0;
}

柔性数组的使用

方法1

int main()
{
    int i = 0;
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
 
    //业务需求代码段
 
    p->i = 100;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        p->a[i] = i;
    }
    free(p);
    return 0;
}

方法2

typedef struct st_type
{
    int i;
    int* p_a;
}type_a;
 
int main()
{
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
    p->i = 100;
    p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
    
    //业务需求代码段
    
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 100; i++) {
        p->p_a[i] = i;
    }
    //释放空间
    free(p->p_a);
    p->p_a = NULL;
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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：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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

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