『C语言进阶』动态内存管理

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前言

看到今天的主题动态内存管理，相信很多小伙伴心中有这样一个疑惑：为什么存在动态内存分配？那是因为现在我们掌握的内存开辟方式开辟的空间都是固定的，但是对于空间的需求，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。 这时候就要使用动态内存开辟了。

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一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free函数

函数功能：

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。

头文件：

#include
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malloc函数的应用：

//开辟一个有10个元素的数组
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
	perror("malloc");
	return 1;
}
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注意：

• 如果开辟成功，则返回一个指向这块空间的指针（起始地址），不会初始化空间的内容

• 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

• 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

• 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器

函数功能：

专门用来做动态内存的释放和回收

头文件：

#include
1

free函数的应用：

#include
#include

int main()
{
	//开辟一个有10个元素的数组
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}
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注意：

• free只能释放动态开辟的内存，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
• 如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做
• 使用free函数释放空间后，p指向这块空间没用了，就变成野指针，所以我们要在释放空间后，将p置为空指针

int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error
p = NULL;
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1.2 calloc函数

函数功能：

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

头文件：

#include
1

calloc函数的应用：

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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运行结果：

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注意：

calloc函数与malloc函数的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节都初始化为0

1.3 realloc函数

函数功能：

1. realloc函数让动态内存管理更加灵活
2. 有时我们发现过去申请的空间太小了，有时我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的内存，我们会对内存大小做灵活的调整，那realloc就可以做到对动态内存大小的调整

头文件：

#include
1

1. ptr是要调整的内存地址
2. size调整之后新的大小
3. 返回值为调整之后的内存起始地址
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函数的应用：

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}

	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);

	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
	}
	//打印数据
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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运行结果：

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这个函数也会出现增容失败的时候（返回空指针，意思空间被释放，会导致原来的空间也被释放）所以不能把返回的指针直接放在原来的指针变量里，应该再定义一个指针变量存放返回地址，先判断是否空指针（增容失败），不是空指针再赋值给p

realloc在调整内存空间的两种情况：

• 原有的空间后面的空间足够，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
• 原有的空间后面的空间不够，在堆空间另找一个合适大小的连续空间来使用，把旧的数据拷贝到新的空间中，会将旧空间释放掉，返回新的地址

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二、常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用

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);
}
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如果空间开辟失败返回空指针，我们对空指针解引用，程序就会出现错误，所以我们要判断返回的是否为空指针

代码修改：

int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
    *p=20;
    free(p);
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2.2 对动态开辟空间的越界访问

#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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只有10个整型的空间，却访问了11个整型的空间，越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error:非动态开辟，不可以释放
p = NULL;
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2.4 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;
	}
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，不可以释放，必须从起始位置释放
	p = NULL;
	return 0;
}
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2.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 free(p);//重复释放
}
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不可以重复释放（当把p赋值为空指针后再释放是可以的）

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
    //记得要释放
}


int main()
{
    test();
    //在这里释放不可以
    return 0;
    //或者把函数test的返回值改为int* ，在主函数接受一下，这样就可以在主函数释放
}
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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

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁

两种销毁方式：

1. free
2. 程序结束

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三、经典例题分析

3.1 题目1

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	//没有释放
	//并没有返回任何值，也没有改变str的值
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	//常量字符串传递的是h的地址，所以是正确的
	//str是空指针，在这里是非法访问，程序会崩溃
	printf(str);//写法正确，但这一步之前程序已经崩溃
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
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运行结果：程序崩溃

1.对NULL指针进行解引用操作，程序会崩溃

2.没有释放空间，存在内存泄漏问题

3.2 题目2

char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;
}
//出作用域后p销毁，开辟的空间还给操作系统

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();//str变成野指针，再去访问这块空间就是非法访问，结果是随机值
    printf(str);
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}
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可以用static修饰变量p，使p的声明周期变长

3.3 题目3

void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
    //没有释放
}

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

int main()
{
    Test();
    return 0;
}
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3.4 题目4

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//空间释放后，要赋值为空指针
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");//非法访问（空间被释放，还给操作系统，没有使用的权利，如果使用，就是野指针越界访问
        printf(str);
    }
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}
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四、C/C++程序的内存开辟

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. 码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

实际上普通的局部变量实在栈区分配空间的，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修饰的变量存在数据段（静态区），数据段的特点使在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期长

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五、柔性数组

5.1 什么是柔性数组

C99中，结构体中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就加柔性数组成员

写法一：

struct s1
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未指定的，并不是0
};
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写法二：

struct s1
{
    int n;
    int arr[];
};
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5.2 柔性数组的特点

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
• sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
• 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。

struct S
{
    int i;
    int a[0];
};

int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(S));
    return 0;
}
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运行结果：

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柔性数组大小未知，无法计算大小

5.3 柔性数组的使用

我们开辟好空间后，发现空间不够用，可以使用realloc增容

写法一：

struct S
{
	int n;
	int arr[];
};
 
int main()
{
	struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	p->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p->arr[i] = i + 1;
	}
 
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
}
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写法二：

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};
 
int main()
{
	struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	p->n = 100;
	p->arr = (int*)malloc(40);
	if (p->arr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	 
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p->arr[i] = i + 1;
	}
	//增容
	int* ptr = (int*)realloc(p->arr,   60);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	p->arr = ptr;
 
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", p->arr[i]);
	}
 
 
	//释放
	free(p->arr);
	p->arr = NULL;
 
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
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要先释放里面的，再释放外面的。如果先把p释放了，就找不到arr的地址了。

总结：

代码一相对于来说比较好：（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。

（代码二：开辟和释放的次数多，容易出错；容易形成内存碎片）

5.4 柔性数组的优点

我们上面的代码二，可以完美的替代柔性数组的功能，却为什么还是创造除了柔性数组呢。在这就要说到柔性数组的优点：

1.内存方便释放

在柔性数组中，我们只使用了一次malloc，方法二中使用了两次malloc，容易造成忘记释放，没有都释放或释放顺序错误的问题。

2.访问速度快，节省空间

多次开辟空间，内存与内存之间的内存碎片会很多，不内存的利用率就会变低。同时，连续的内存有益于提高访问速度。

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本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言，小羊一定认真修改，写出更好的文章~~