【C语言】动态内存管理

(文章目录)

<font color=blue size=4>1. 为什么存在动态内存分配？</font>

🐶 我们已经掌握的内存开辟方式有： 但是上述的开辟空间的方式有两个缺点：

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

<font color=blue size=4>2. 动态内存分配函数的介绍</font>

<font color=red size=4>2.1 malloc和free</font>

🐱 C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
• 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：

==free函数用来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

🐭 malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。 举个栗子：

#include <stdio.h>
int main()
{
//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = {0};
//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;//是否有必要？
	return 0;	
}

<font color=red size=4>2.2 calloc</font>

🐹 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：

• 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。
• 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。

举个栗子：

<font color=red size=4>2.3 relloc</font>

🐼 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，那为了合理的开辟内存，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：==

• ptr 是要调整的内存地址
• size 调整之后新大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置。
• 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

🐶 <font color=red size=4>注意：realloc函数调整内存的方式有两种</font>

• ==原有的空间之后有足够的空间== 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。
• ==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。

🍊 <font color=red size=3>举个栗子</font>

<font color=blue size=4>3. 常见的动态内存错误</font>

<font color=red size=4>3.1 对NULL指针的解引用操作</font>

<font color=red size=4>3.2 对动态开辟空间的越界访问</font>

<font color=red size=4>3.3 对非动态开辟内存使用free释放</font>

<font color=red size=4>3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分</font>

<font color=red size=4>3.5 对同一块动态内存多次释放</font>

<font color=red size=4>3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）</font>

🐱 ==切记== 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。

<font color=blue size=4>4. 几个经典的笔试题</font>

<font color=red size=4>4.1 题目一</font>

🐱 请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

形象p是实参的一份临时拷贝，出了函数之后就会被销毁，但p却没有被销毁，所以存在内存泄漏。

==修改后版本==

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

<font color=red size=4>4.2 题目二</font>

🐱 请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

在函数 char *GetMemory(void) 中，p在函数调用结束后就会被销毁，因此str接收到的地址已经无效，所以str相当于野指针，因此打印出来的内容也是乱码。

<font color=red size=4>4.3 题目三</font>

🐱 请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

str被释放后又进行了if语句判断，但此时str已经是野指针了，对野指针进行操作属于非法访问内存，所以程序存在问题。

==修改后版本==

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

<font color=red size=4>4.4 题目四</font>

🐱 请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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

GetMemory函数中，开辟了一块内存空间，但是最后却没有释放，造成了内存泄漏。

==修改后版本==

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

<font color=blue size=4>5. C/C++程序的内存开辟 </font>

🐶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。

<font color=blue size=4>6. 柔性数组</font>

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『柔性数组』成员。

🐱 例如

<font color=red size=4>6.1 柔性数组的特点</font>

• 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。

<font color=red size=4>6.2 柔性数组的使用</font>

🐼 代码1

struct S
{
	int n;
	float s;
	int arr[];//[柔性]数组成员
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+sizeof(int)*4);
	if (ps == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//....
	ps->n = 100;
	ps->s = 5.5f;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}
	printf("%d %f\n", ps->n, ps->s);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//调整
	struct S*ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//使用
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

🐣 代码2

struct S
{
	int n;
	float s;
	int *arr;
};

int main()
{
	struct S*ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return 1;
	ps->n = 100;
	ps->s = 5.5f;
	int* ptr = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		scanf("%d", &(ps->arr[i]));
	}
	//调整
	realloc(ps->arr, 10*sizeof(int));
	//打印
	printf("%d\n", ps->n);
	printf("%f\n", ps->s);
	for (i = 0; i < 4; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

<font color=red size=4>6.3 柔性数组的优势</font>

🐭 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）