【C语言进阶】动态内存管理

动态内存管理

• • 1.为什么存在动态内存分配
  • 2.动态内存函数的介绍
  • • 2.1malloc和free
    • 2.2calloc
    • 2.3realloc
  • 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.几个经典的笔试题
  • • 4.1 题目1：
    • 4.2 题目2：
    • 4.3 题目3：
    • 5. C/C++程序的内存开辟
  • 6.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

1.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。

2.动态内存函数的介绍

首先应该知道动态内存管理是开辟在堆区

2.1malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

1，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。
2，如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
3，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。
4，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。
5，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。

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：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。
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。

int main(){int a = 10;int* ptr = &a;free(ptr);//errreturn 0;}

2，如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

代码案例：#include#includeint main(){//int arr[10];int* p = (int*)malloc(40);//40为字节if (p == NULL)//判断ptr指针是否为空{perror("malloc");return 1;}//开辟成功int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}//malloc申请的内存空间，当程序退出时，还给操作系统//当程序不退出时，动态申请的内存，不会主动释放的，需要free函数来释放free(p); // 释放ptr所指向的动态内存p = NULL;return 0;}

运行结果：

2.2calloc

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：

void* calloc (size_t num, size_t size);

1，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。
2，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初始化为全0。

#include #include int main(){int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (NULL != p){//使用空间}free(p);p = NULL;return 0;}

2.3realloc

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，那为了合理的时候内存，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

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

1,ptr 是要调整的内存地址
2,size 调整之后新大小
3,返回值为调整之后的内存起始位置。
4,这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
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

情况1
当是情况1 的时候，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
当是情况2 的时候，原有空间之后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。这样函数返回的是一个新的内存地址。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些

代码案例：#include#includeint main(){int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//初始化为1~10int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++) {p[i] = i + 1;}//增加一些空间int* ptr = (int*)realloc(p, 8000);if (ptr != NULL){p = ptr;ptr = NULL;}else{perror("realloc");return 1;}//打印数据for (i = 0; i < 20; i++){printf("%d\n", p[i]);}//释放free(p);p = NULL;return 0;}

运行结果：

3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

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);}

先检查是不是空指针

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main(){int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;//对动态开辟空间的越界访问for (i = 0; i < 20; i++){p[i] = i;//越界访问}free(p);p = NULL;return 0;}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

//3. 对非动态开辟内存使用free释放int main(){int a = 10;int* p = &a;printf("%d\n", *p);free(p);p = NULL;return 0;}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//4. 使用free释放一块动态开辟内存的一部分int main(){int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*p = i;p++;//p++已经不是指向起始位置}//释放free(p);p = NULL;return 0;}

3.5 对同一块动态内存多次释放

//5. 对同一块动态内存多次释放int main(){int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return 1;}//使用free(p);p = NULL;free(p);return 0;}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4.几个经典的笔试题

4.1 题目1：

void GetMemory(char** p){*p = (char*)malloc(100);}void Test(void){char* str = NULL;GetMemory(str);//传值，临时拷贝strcpy(str, "hello world");//对空指针str解引用printf(str);//未释放str = NULL;}int main(){Test();return 0;}

改正：

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

4.2 题目2：

char* GetMemory(void){static char p[] = "hello world";return p;}void Test(void){char* str = NULL;str = GetMemory();//GetMemory()已被释放，str指向野指针，非法访问（返回栈空间地址问题）printf(str);}int main(){Test();return 0;}

引例子：

int* test(){int a = 10;return &a;}int main(){int* p = test();printf("hehe");printf("%d\n", *p);return 0;}

运行结果：

4.3 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);//未释放}

5. 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在《C语言初识》中讲的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。

6.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：

struct S{int n;int arr[];//柔性数组};struct S{int n;int arr[0];//柔性数组};

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。
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。

6.2 柔性数组的使用

代码案例：struct S{int n;int arr[0];//柔性数组};int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//空间不够，需要增容struct S* ptr = realloc(ps, sizeof(struct S) + 60);if (ptr == NULL){perror("realloc");return 1;}ps = ptr;ps->n = 15;for (i = 0; i < 15; i++){printf("%d\n", ps->arr[i]);}//释放free(ps);ps = NULL;return 0;}

6.3 柔性数组的优势

另一种方法实现，柔性数组效果：

代码演示：struct S{int n;int* arr;};int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc->ps");return 1;}ps->n = 100;ps->arr = (int*)malloc(40);//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10if (ps->arr == NULL){perror("malloc->arr");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//调整int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);if (ptr != NULL){ps->arr = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}//打印for (i = 0; i < 15; i++){printf("%d\n", ps->arr[i]);}//释放free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;}

对于柔性数组来说：
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）

💘不知不觉，【C语言进阶】动态内存管理以告一段落。通读全文的你肯定收获满满，让我们继续为C语言学习共同奋进!!!

来源地址：https://blog.csdn.net/2201_75642960/article/details/133877351