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【C语言进阶】动态内存管理
大家好好我是沐曦希💕
1.为什么存在动态内存分配
前面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- 1
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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。
那么此时要使用动态内存了。
2.动态内存函数的介绍
2.1 malloc函数
malloc的头文件是stdlib.h
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。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。例如:
#include#include #include #include int main() { int* p = (int*)malloc(40); if (NULL == p) { printf("%s\n", strerror(errno)); return 1; } int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = i + 1; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } //没有free并不是说内存空间就不回收了 //当程序退出的时候，系统会自动回收内存空间的 //free(p); //p = NULL; return 0; } - 1
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2.2 free函数
free函数的头文件是stdlib.h
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);- 1
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。
2.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。例如：
#include#include int main() { //代码1 int num = 0; scanf("%d", &num); int arr[num];//C99标准的变长数组 //代码2 int* ptr = NULL; ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int)); if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空 { int i = 0; for (i = 0; i < num; i++) { *(ptr + i) = 0; } } free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存 ptr = NULL;//有必要的代码 return 0; } - 1
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由上图可知，即使ptr所指向的空间被释放了，ptr还是指向该空间，所以应该加上代码：ptr = NULL;2.3 calloc函数
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
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。例如：
#include#include #include int main() { int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); if (NULL == p) { printf("%s\n", strerror(errno)); return 1; } int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } free(p); p = NULL; return 0; } - 1
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所以如何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。2.4 realloc函数
1.realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
2.有时会发现过去申请的空间太小了或者申请的空间过大了，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。realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
void* realloc (void* ptr, size_t size);- 1
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：
第一种情况：原有空间之后有足够大的空间，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。
第二种情况：原有空间之后没有足够大的空间，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。
例如：#include#include #include #include int main() { //开辟40个字节空间 int* p = (int*)malloc(40); if (NULL == p) { printf("%s\n", strerror(errno)); return 1; } //使用 int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = i + 1; } //扩容 int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//追加40个字节，80是新大小 if (ptr != NULL) { p = ptr; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } free(p); p = NULL; } return 0; } - 1
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realloc(NULL,40);//与malloc(40);等价- 1
3.常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
#include#include #include 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);//p变成野指针 //free(p);后面应该加上p=NULL; } int main() { test(); return 0; } - 1
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正确代码：
#include#include #include void test() { int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4); if (NULL == p) { return 1; } *p = 20; free(p); p = NULL; } int main() { test(); return 0; } - 1
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INT_MAX是int类型的最大整数，头文件为limits.h
#define INT_MAX 2147483647- 1
3.2 对动态开辟空间的越界访问
#include#include void test() { int i = 0; int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (NULL == p) { exit(EXIT_FAILURE); } for (i = 0; i <= 10; i++)//应该改为i<10 { *(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问 } free(p); p = NULL; } int main() { test(); return 0; } - 1
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EXIT_FAILURE是C语言头文件库中定义的一个符号常量，在vc++6.0下头文件stdlib.h中定义如下： #define EXIT_FAILURE 1 可以作为exit()的参数来使用，表示没有成功地执行一个程序。
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
#include#include void test() { int a = 10; int* p = &a; //... free(p); } int main() { test(); return 0; } - 1
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free只能释放动态内存的释放和回收的。
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
#include#include #include void test() { int* p = (int*)malloc(100); for (int i = 0; i < 10; i++) { *p = i; p++; } free(p);//p不再指向动态内存的起始位置 p = NULL; } int main() { test(); return 0; } - 1
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此时会造成内存泄露，没有进行判断p是否为NULL，对空指针解引用会报错的。
正确代码：#include#include void test() { int* p = (int*)malloc(100); if (NULL = P) { return; } for (int i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = i; } free(p);//p不再指向动态内存的起始位置 p = NULL; } int main() { test(); return 0; } - 1
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3.5 对同一块动态内存多次释放
#include#include void test() { int* p = (int*)malloc(100); //... free(p); //... free(p);//重复释放 } int main() { test(); return 0; } - 1
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对同一块内存多次释放：可以在第一次释放后面加上p=NULL来改正。
正确代码：#include#include void test() { int* p = (int*)malloc(100); if(NULL = P) { return; } //... free(p); p = NULL; //... free(p);//重复释放 } int main() { test(); return 0; } - 1
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3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
#include#include void test() { int* p = (int*)malloc(100); if (NULL != p) { *p = 20;//忘记了释放开辟的动态内存 } } int main() { test(); while (1); } - 1
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忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。free(p); p = NULL;- 1
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4.几个经典的笔试题
4.1 笔试题一
void GetMemory(char* p) { p = (char*)malloc(100); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(str); strcpy(str, "hello world"); printf(str);//与printf("%s\n",str);等价 }- 1
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请问运行Test 函数会有什么样的结果？
str指针变量作为实参，p指针变量作为形参，传值调用不会改变实参的值，即str一样是NULL，对空指针解引用，程序会崩溃。而且指针变量P在出GetMemory后，指针变量p会被销毁，而所申请的动态内存没有被释放会造成内存泄漏。
所以Test函数不会有打印结果。
正确代码：#include#include #include char* GetMemory(char* p) { p = (char*)malloc(100); return p; } void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory(&str); if (NULL == str) { return; } strcpy(str, "hello world"); printf(str); free(str); str = NULL; } int main() { Test(); return 0; } - 1
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4.2 笔试题二
char* GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; return p; } void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory(); printf(str); }- 1
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请问运行Test 函数会有什么样的结果？
这是返回栈空间的地址的问题，p在出GetMemory后，p数组的内存空间会被回收，所以strb变成野指针，对野指针解引用是很危险的行为，无法预判打印什么。
4.3 笔试题三
void GetMemory(char** p, int num) { *p = (char*)malloc(num); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(&str, 100); strcpy(str, "hello"); printf(str); }- 1
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请问运行Test 函数会有什么样的结果？
没有释放所开辟的动态内存，造成内存泄漏。没有进行判断是否开辟成功。
Tset函数运行的结果是会打印hello
正确代码：#include#include void GetMemory(char** p, int num) { *p = (char*)malloc(num); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(&str, 100); if (NULL == str) { return; } strcpy(str, "hello"); printf(str); free(str); str = NULL; } int main() { Test(); return 0; } - 1
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4.4 笔试题四
void Test(void) { char* str = (char*)malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); if (str != NULL) { strcpy(str, "world"); printf(str); } }- 1
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请问运行Test 函数会有什么样的结果？
str是被释放后是野指针，非法访问，会出问题。
但是Test函数运行结果还是会打印world。
应该在free(str);后面加上str = NULL;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，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。6.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：
typedef struct S { int i; int arr[0];//柔性数组成员 }ty_S;- 1
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有些编译器会报错无法编译可以改成：
typedef struct S { int i; int arr[];//柔性数组成员 }ty_S;- 1
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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。#includetypedef struct S { int i; int arr[];//柔性数组成员 }ty_S; int main() { printf("%d\n", sizeof(ty_S)); return 0; } - 1
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6.2 柔性数组
#include#include typedef struct S { int i; int arr[]; }type_a; int main() { //代码1 int i = 0; type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 10 * sizeof(int)); if (p == NULL) { perror("p"); return 1; } //业务处理 p->i = 100; for (i = 0; i < 10; i++) { p->arr[i] = i; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", p->arr[i]); } //增容 struct S* ptr = (struct S*)realloc(p, sizeof(struct S) + 80); if (ptr == NULL) { perror("ptr"); return 1; } p = ptr; ptr = NULL; free(p); p = NULL; return 0; } - 1
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这样柔性数组成员a，相当于获得了10个整型元素的连续空间,并且增容到了20个整型元素的连续空间。6.2.1 perror
void perror ( const char * str );- 1
#includeint main() { int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 1000000000000000000); if (p == NULL) { perror("p"); return 1; } free(p); p = NULL; return 0; } - 1
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6.3 柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为：
//代码2 #include#include typedef struct st_type { int i; int* p_a; }type_a; int main() { type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)); if (p == NULL) { perror("p"); return 1; } p->i = 100; p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int)); if (p->p_a == NULL) { perror("p->p_a"); return 1; } //业务处理 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; } - 1
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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。（其实觉得也没多高了，反正跑不了要用做偏移量的加法来寻址)
7.写在最后
那么动态内存管理到这里就结束啦。既然学到了动态内存，那么再过两章，小沐的C语言零基础学习专栏也差不多该结束，以后补充的C语言大概率是根据小沐学的《C语言深度解剖》来围绕啦。C语言后就是C++啦！学海无涯啊！
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- 原文地址：https://blog.csdn.net/m0_68931081/article/details/125747937