43 C 程序动态内存分配：内存区域划分、void 指针、内存分配相关函数（malloc、calloc、realloc、_msize、free）、内存泄漏

Thanks_ks2024-10-14 20:48

目录

[1 C 程序内存区域划分](#1 C 程序内存区域划分)

[1.1 代码区 (Code Section)](#1.1 代码区 (Code Section))

[1.2 全局/静态区 (Global/Static Section)](#1.2 全局/静态区 (Global/Static Section))

[1.3 栈区 (Stack Section)](#1.3 栈区 (Stack Section))

[1.4 堆区 (Heap Section)](#1.4 堆区 (Heap Section))

[1.5 动态内存分配](#1.5 动态内存分配)

[2 void 指针（无类型指针）](#2 void 指针（无类型指针）)

[2.1 void 指针介绍](#2.1 void 指针介绍)

[2.2 void 指针的作用](#2.2 void 指针的作用)

[2.3 void 指针的特点](#2.3 void 指针的特点)

[2.4 void 指针类型转换注意事项](#2.4 void 指针类型转换注意事项)

[2.4.1 其他类型指针赋给 void 指针](#2.4.1 其他类型指针赋给 void 指针)

[2.4.2 void 指针赋给其他类型指针](#2.4.2 void 指针赋给其他类型指针)

[3 malloc() 函数](#3 malloc() 函数)

[3.1 函数原型](#3.1 函数原型)

[3.2 使用步骤](#3.2 使用步骤)

[3.3 动态分配整型数据的空间](#3.3 动态分配整型数据的空间)

[3.4 动态分配数组空间](#3.4 动态分配数组空间)

[4 calloc() 函数](#4 calloc() 函数)

[4.1 函数原型](#4.1 函数原型)

[4.2 使用步骤](#4.2 使用步骤)

[4.3 案例演示](#4.3 案例演示)

[5 realloc() 与 _msize 函数](#5 realloc() 与 _msize 函数)

[5.1 函数原型](#5.1 函数原型)

[5.2 使用步骤](#5.2 使用步骤)

[5.3 案例演示](#5.3 案例演示)

[6 内存泄漏与 free() 函数](#6 内存泄漏与 free() 函数)

[6.1 内存泄漏](#6.1 内存泄漏)

[6.2 free() 函数](#6.2 free() 函数)

[6.2.1 函数原型](#6.2.1 函数原型)

[6.2.2 使用步骤](#6.2.2 使用步骤)

[6.2.3 注意事项](#6.2.3 注意事项)

[6.2.4 案例演示](#6.2.4 案例演示)

[7 内存分配的基本原则](#7 内存分配的基本原则)

[7.1 避免分配大量的小内存块](#7.1 避免分配大量的小内存块)

[7.2 仅在需要时分配内存](#7.2 仅在需要时分配内存)

[7.3 总是确保释放已分配的内存](#7.3 总是确保释放已分配的内存)

[8 综合案例](#8 综合案例)

1 C 程序内存区域划分

在 C 语言中，内存可以分为几个不同的区域，每个区域都有其特定的作用。

1.1 代码区 (Code Section)

也称为文本区，是只读的 ，用于存放程序的机器指令。

这个区域的内容是在程序编译时确定的，并且在程序运行期间不会改变。

1.2 全局/静态区 (Global/Static Section)

这个区域用于存储全局变量和静态变量。

全局变量是在所有函数外部定义的变量，它们在整个程序的生命周期内都存在。

静态变量可以在全局或局部范围内定义，但无论在哪里定义，它们都会在这个区域分配空间，并且在整个程序执行过程中保持存在。

初始化的全局变量和静态变量会被分配到已初始化的数据段（如 .data 段），而未初始化的全局变量和静态变量则会被分配到未初始化的数据段（如 .bss 段）。

1.3 栈区 (Stack Section)

栈区用于存储函数的局部变量和函数调用信息（如返回地址）。

当一个函数被调用时，一个新的栈帧（stack frame）会被创建并压入栈顶，其中包含了该函数所有局部变量。

函数执行完毕后，这个栈帧会被弹出栈，释放了该函数使用的内存。

栈区的操作是自动化的，由编译器管理，不需要程序员手动干预。

1.4 堆区 (Heap Section)

堆区是一个动态分配内存的区域，通常通过 malloc()、calloc()、realloc() 和 free() 等函数进行管理。

动态内存分配允许程序在运行时请求任意大小的内存块，这对于处理未知大小的数据集非常有用。

一旦不再需要这块内存，应该调用 free() 函数释放它，以避免内存泄漏。

1.5 动态内存分配

动态内存分配是指在程序运行时根据需要从堆区请求内存的行为。

由于动态分配的内存没有与任何变量名关联，因此必须使用指针来访问这些内存。

使用动态内存分配时，程序员需要负责确保正确地分配和释放内存，以防止内存泄漏或其他错误。

2 void 指针（无类型指针）

2.1 void 指针介绍

在 C 语言中，void 指针是一种特殊的指针类型，它可以指向任何类型的数据。C99 标准允许定义一个类型为 void 的指针变量，这种指针在编译时没有具体的类型信息，因此可以灵活地用于各种场景。

2.2 void 指针的作用

灵活性 ：指针变量必须有类型，以便编译器知道如何解释内存块中的二进制数据。然而，在某些情况下，当向系统请求内存时，可能还不确定会有什么类型的数据写入内存。此时，可先使用void指针获取内存块（仅含地址信息，无类型信息），待后续使用时再明确数据类型。

通用性 ：void 指针在函数参数传递和通用数据处理中非常有用，尤其是在实现泛型编程时，可以避免重复编写针对不同数据类型的代码。

2.3 void 指针的特点

类型转换 ：void 指针与其他所有类型的指针之间可以互相转换。任一类型的指针都可以转换为 void 指针，而 void 指针也可以转换为任一类型的指针。

解引用限制 ：由于 void 指针没有具体的类型信息，因此不能直接使用 * 运算符（解引用）来访问它所指向的值 。如果需要访问 void 指针指向的数据，必须先将其转换为适当的类型指针。

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>

int main()
{
    int num = 42;
    double pi = 3.14159;

    // 将 int 指针隐式转换为 void 指针
    void *viPtr = &num;

    // 将 double 指针隐式转换为 void 指针
    void *vdPtr = &pi;

    // 将 void 指针转换为 int 指针并解引用
    // int *intPtr = viPtr;        // 隐式类型转换
    int *intPtr = (int *)viPtr;      // 显示类型转换
    printf("整数值：%d\n", *intPtr); // 42

    // 将 void 指针转换为 double 指针并解引用
    // double *doublePtr = vdPtr; // 隐式类型转换
    double *doublePtr = (double *)vdPtr; // 显示类型转换
    printf("浮点数：%f\n", *doublePtr);  // 3.141590

    // void 指针不能直接解引用，会导致编译错误
    // 下面的代码会报错
    // printf("%d\n", *viPtr);
    // printf("%f\n", *vdPtr);

    // 如果需要访问 void 指针指向的数据，必须先将其转换为适当的类型指针
    printf("%d\n", *(int *)viPtr);    // 42
    printf("%f\n", *(double *)vdPtr); // 3.141590

    return 0;
}

2.4 void 指针类型转换注意事项

2.4.1 其他类型指针赋给 void 指针

将其他类型指针赋给 void 指针时，可以使用隐式转换，因为 void 指针不包含指向的数据类型的信息，通常是安全的。

cpp 复制代码 
int num = 42;
double pi = 3.14159;

// 将 int 指针隐式转换为 void 指针
void *viPtr = &num;

// 将 double 指针隐式转换为 void 指针
void *vdPtr = &pi;

2.4.2 void 指针赋给其他类型指针

将 void 指针赋给其他类型指针时，建议使用显式类型转换，这样更加安全。如果使用隐式类型转换，有些编译器会触发警告。

cpp 复制代码 
// 将 void 指针显式转换为 int 指针并解引用
int *intPtr = (int *)viPtr;
printf("整数值：%d\n", *intPtr);

// 将 void 指针显式转换为 double 指针并解引用
double *doublePtr = (double *)vdPtr;
printf("浮点数：%f\n", *doublePtr);

3 malloc() 函数

3.1 函数原型

malloc() 函数用于在程序运行时动态分配一块连续的内存空间。这是 C 语言中常用的动态内存分配函数之一，通常与 free() 函数一起使用，以确保内存的正确管理和释放。

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);
  • size ：要分配的内存块的大小，以字节为单位。
  • 如果内存分配成功，返回一个 void 指针，指向新分配内存块的起始地址。
  • 如果内存分配失败（例如内存不足），返回一个空指针 NULL。

3.2 使用步骤

  • 分配内存：调用 malloc() 函数，传入所需的内存大小。
  • 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存分配成功。
  • 使用内存：将返回的 void 指针转换为适当的类型指针，并使用该指针访问分配的内存。
  • 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

3.3 动态分配整型数据的空间

cpp 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
 
int main()
{
    // 在栈区直接创建局部变量
    int num = 120;
 
    int *p = NULL;
    // 动态分配整型数据的空间
    // malloc(sizeof(int)) 请求分配一个 int 类型大小的内存块
    // (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针
    // p 指向新分配内存块的起始地址
    p = (int *)malloc(sizeof(int));
 
    // 检查内存是否分配成功
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1; // 退出程序
    }
 
    // p = &num; 不要这样操作，这相当于修改了指针 p 的指向，就没有用到上面动态分配的空间
 
    // 使用解引用赋值并输出
    *p = num;
    printf("p指向的地址（堆区）：%p\n", (void *)p);
    printf("局部变量num的地址（栈区）：%p\n", (void *)&num);
    printf("p指向的值：%d\n", *p); // 120
 
    // 释放分配的内存，避免内存泄漏
    free(p);
    p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
 
    return 0;
}

输出结果如下所示：

错误做法：

3.4 动态分配数组空间

在 C 语言中，malloc() 函数不仅可用于分配单个变量的内存，还可以用于动态分配数组的内存（指针的偏移）。以下是一个示例，展示了如何使用 malloc() 函数动态分配整型数组的内存，并对其进行操作。

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

int main()
{
    int *p = NULL; // 定义整型指针
    int n = 5;     // 定义数组长度
    // int array[n];  错误，表达式必须含有常量值

    // 动态分配内存，将地址赋给指针 p
    // malloc(n * sizeof(int)) 请求分配一个大小为 n * sizeof(int) 的内存块，即 n 个 int 类型的内存
    // (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针
    // p 指向新分配内存块的起始地址
    p = (int *)malloc(n * sizeof(int));

    // 判断是否分配成功
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 给数组元素赋值
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        // p[i] = i * 10;  // p[i] 等价于 *(p + i)
        *(p + i) = i * 10;
    }

    // 输出数组的元素
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        // printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]); // p[i] 等价于 *(p + i)
        printf("p[%d] = %d\n", i, *(p + i));
    }

    // 释放分配的内存，避免内存泄漏
    free(p);
    p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针

    return 0;
}

输出结果如下所示：

4 calloc() 函数

4.1 函数原型

calloc() 函数用于在程序运行时动态分配内存，并将分配的内存初始化为零。这是 C 语言中常用的动态内存分配函数之一，通常与 free() 函数一起使用，以确保内存的正确管理和释放。

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
void *calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement);
  • numElements ：要分配的元素的数量。
  • sizeOfElement ：每个元素的大小（以字节为单位）。
  • 如果内存分配成功，返回一个 void 指针，指向新分配内存块的起始地址。
  • 如果内存分配失败（例如内存不足），返回一个空指针 NULL。

4.2 使用步骤

  • 分配内存：调用 calloc() 函数，传入所需的元素数量和每个元素的大小。
  • 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存分配成功。
  • 使用内存：将返回的 void 指针转换为适当的类型指针，并使用该指针访问分配的内存。
  • 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

4.3 案例演示

以下是一个示例代码，展示了如何使用 calloc() 函数动态分配整型数组的内存，并将其初始化为零：

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

int main()
{
    int *p = NULL; // 定义整型指针
    int n = 5;     // 定义数组长度

    // 动态分配内存并初始化为零，将地址赋给指针 p
    // calloc(n, sizeof(int)) 请求分配一个大小为 n * sizeof(int) 的内存块，并将每个字节初始化为零
    // (int *) 是显式类型转换，将 void 指针转换为 int 指针
    p = (int *)calloc(n, sizeof(int));

    // 判断是否分配成功
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    // 输出数组的元素的值
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]); // 全是 0
    }

    // 给数组元素赋值
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        p[i] = i * 10;
    }

    // 输出数组的元素
    for (int i = 0; i < n; i++)
    {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]); // 0 10 20 30 40
    }

    // 释放分配的内存，避免内存泄漏
    // free(p); // 简单处理

    // 推荐处理
    if (p != NULL)
    {
        free(p);
        p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
    }

    return 0;
}

输出结果如下所示：

5 realloc() 与 _msize 函数

5.1 函数原型

realloc() 函数用于重新分配 malloc() 或 calloc() 函数所获得的内存块的大小。这在需要动态调整内存大小时非常有用。

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
void *realloc(void *ptr, size_t size);
  • ptr ：要重新分配的内存块的指针。
  • size ：新的内存块的大小（以字节为单位）。
  • 返回一个指向重新分配内存块的指针。如果内存重新分配成功，返回的指针可能与原始指针相同，也可能不同。
  • 如果内存分配失败，返回一个空指针 NULL。
  • 如果在原内存块上进行缩减，通常返回的地址与原来的地址相同。

5.2 使用步骤

  • 分配内存：使用 malloc() 或 calloc() 函数分配初始内存。
  • 重新分配内存：调用 realloc() 函数，传入当前指针和新的内存大小。
  • 检查返回值：检查返回的指针是否为 NULL，以确保内存重新分配成功。
  • 使用新的内存：使用返回的新指针访问重新分配的内存。
  • 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，以避免内存泄漏。

5.3 案例演示

以下是一个示例代码，展示了如何使用 realloc() 函数动态调整内存大小，并使用 _msize() 函数获取指定内存块的大小：

_msize() 函数用于获取指定内存块的大小，但请注意，这个函数不是标准 C 库的一部分，而是特定于某些平台（如 Windows）。在其他平台上，可能需要使用其他方法来获取内存块的大小。

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

int main()
{
    // 声明指针
    int *p = NULL;

    // 分配内存
    // 使用 malloc() 函数分配初始内存，大小为 100 * sizeof(int)
    p = (int *)malloc(sizeof(int) * 100);
    if (p == NULL)
    {
        printf("初始内存分配失败\n");
        return 1;
    }
    // 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小
    printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 400

    // 调整内存大小
    p = (int *)realloc(p, sizeof(int) * 2000);
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存重新分配失败\n");
        return 1;
    }
    // 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小
    printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 8000

    // 再次调整内存大小
    // 如果在原内存块上进行缩减，通常返回的地址与原来的地址相同
    p = (int *)realloc(p, sizeof(int) * 200);
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存重新分配失败\n");
        return 1;
    }
    // 使用 _msize() 函数获取分配的内存大小，并输出指针地址和内存大小
    printf("p=%p, size:%zu 字节\n", p, _msize(p)); // 800

    // 释放分配的内存，避免内存泄漏
    // free(p); // 简单处理

    // 推荐处理
    if (p != NULL)
    {
        free(p);
        p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
    }

    return 0;
}

输出结果如下所示：

6 内存泄漏与 free() 函数

6.1 内存泄漏

内存泄漏是指在程序运行过程中，动态分配的内存空间没有被正确释放，导致系统中的可用内存逐渐减少，直到耗尽系统可用的内存资源。内存泄漏不仅会影响程序的性能，还可能导致程序崩溃或系统不稳定。

6.2 free() 函数

6.2.1 函数原型

free() 函数用于释放动态分配的内存，以便将内存返回给操作系统，防止内存泄漏。

cpp 复制代码 
#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);
  • ptr ：指向要释放的内存块的指针。ptr 必须是通过 malloc()、calloc() 或 realloc() 动态分配的内存块地址。
  • free() 函数没有返回值。

6.2.2 使用步骤

  • 分配内存：使用 malloc()、calloc() 或 realloc() 函数动态分配内存。
  • 使用内存：在程序中使用分配的内存。
  • 释放内存：使用 free() 函数释放分配的内存，确保内存返回给操作系统。

6.2.3 注意事项

1. 避免双重释放：

释放的内存块一旦被 free() 释放，就不应该再次操作已经释放的地址，也不应该再次使用 free() 对该地址释放第二次。这会导致未定义行为，可能会导致程序崩溃。

cpp 复制代码 
int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
free(p);  // 第一次释放
free(p);  // 错误：第二次释放

2. 避免内存泄漏：

如果忘记调用 free() 函数，会导致无法访问未回收的内存块，构成内存泄漏。

cpp 复制代码 
int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
// 忘记释放内存
// free(p);  // 应该在这里释放内存

3. 检查指针是否为 NULL：

在释放内存之前，最好检查指针是否为 NULL。释放 NULL 指针是安全的，不会导致错误，但这是一个良好的编程习惯。

释放内存后，最好将指针设为 NULL，以避免悬挂指针（即指向已释放内存的指针）。

cpp 复制代码 
int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
if (p != NULL) {
    free(p);
    p = NULL;  // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
}

6.2.4 案例演示

以下是一个示例代码，展示了如何正确使用 malloc() 和 free() 函数，避免内存泄漏和双重释放：

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

int main() {
    int *p = NULL;  // 定义整型指针

    // 动态分配内存
    p = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (p == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存
    *p = 120;
    printf("p指向的地址：%p\n", (void *)p);
    printf("p指向的值：%d\n", *p);

    // 释放分配的内存
    if (p != NULL) {
        free(p);
        p = NULL;  // 释放后将指针设为 NULL
    }

    return 0;
}

7 内存分配的基本原则

在 C 语言中，动态内存分配是一项重要的任务，合理的内存管理可以提高程序的性能和稳定性。以下是一些内存分配的基本原则：

7.1 避免分配大量的小内存块

原因 ：分配堆上的内存有一些系统开销，包括分配和释放内存时的管理开销。分配许多小的内存块会增加这些开销，从而影响程序的性能。

建议 ：尽量合并多个小内存块的分配，使用较大的内存块来减少系统开销。例如，可以预先分配一个较大的缓冲区，然后在需要时从中划分出所需的小内存块。

7.2 仅在需要时分配内存

原因 ：动态分配的内存会占用系统的资源，如果分配了不必要的内存，不仅浪费资源，还可能导致内存泄漏。

建议 ：在实际需要使用内存时再进行分配，并且在使用完内存后及时释放。避免过早分配内存或分配过多的内存。

7.3 总是确保释放已分配的内存

原因 ：未释放的内存会导致内存泄漏，随着时间的推移，内存泄漏会逐渐消耗系统资源，最终可能导致程序崩溃或系统不稳定。

建议 ：在编写分配内存的代码时，就要确定好在代码的什么地方释放内存。使用 free() 函数释放不再需要的内存，并确保不会对同一个内存块多次释放。

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

// 分配和释放内存的辅助函数
void allocate_and_use_memory() {
    int *p = NULL;

    // 仅在需要时分配内存
    p = (int *)malloc(sizeof(int) * 1000);
    if (p == NULL) {
        printf("内存分配失败\n");
        return;
    }

    // 使用分配的内存
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        p[i] = i * 10;
    }

    // 输出部分元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("p[%d] = %d\n", i, p[i]);
    }

    // 及时释放内存
    if (p != NULL)
    {
        free(p);
        p = NULL; // 释放后将指针设为 NULL，避免悬挂指针
    }
}

int main() {
    // 调用内存管理函数
    allocate_and_use_memory();

    return 0;
}

8 综合案例

动态创建数组，输入 5 个学生的成绩，再定义一个函数检测成绩低于 60 分的，输出不合格的成绩。

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

// 函数原型声明
void check(int *);

int main()
{
    int *p = NULL;

    // 在堆区开辟一个 5 * 4 的空间，用于存储 5 个整数
    p = (int *)malloc(5 * sizeof(int));

    // 检查内存是否分配成功
    if (p == NULL)
    {
        printf("内存分配失败\n");
        return 1; // 退出程序
    }

    printf("请输入5个成绩(整数)：");

    // 从用户输入读取 5 个整数，存储到动态分配的内存中
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        // scanf("%d", p + i); // 使用指针算术，将输入的整数存储到 p[i] 中
        // p + i 是指针算术，表示将指针 p 向后移动 i 个元素的位置

        scanf("%d", &p[i]); // 使用数组形式，将输入的整数存储到 p[i] 中
        // &p[i] 是取地址操作，表示 p 指向的数组中第 i 个元素的地址
    }

    // 调用 check 函数，检查不及格的成绩
    check(p);

    // 释放动态分配的内存，避免内存泄漏
    free(p);
    p = NULL; // 避免悬挂指针

    return 0;
}

// 函数定义
void check(int *p)
{
    printf("不及格的成绩有: ");

    // 遍历动态分配的内存中的 5 个整数
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
        // 如果成绩小于 60，输出该成绩
        if (p[i] < 60)
        {
            printf(" %d ", p[i]);
        }
    }
}

输出结果如下所示：

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