【C语言】动态内存管理(malloc,free,calloc,realloc,柔性数组）

桃扇骨 2024-04-06 12:04 47阅读 0赞

#### 文章目录 ####

*   *  为什么存在动态内存管理
     *  动态内存函数的介绍
     *   *   *  malloc
             *  free
             *  calloc
             *  realloc
     *  常见的动态内存错误
     *   *  对NULL指针的解引用操作
         *  对动态开辟空间的越界访问
         *  对非动态开辟内存使用free释放
         *  使用free释放一块动态开辟内存的一部分
         *  对同一块动态内存多次释放
         *  动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
     *  几个经典的笔试题
     *   *  题目1
         *  题目2
         *  题目3
         *  题目4
     *  C/C++程序的内存开辟
     *  柔性数组
     *   *  柔性数组的特点
         *  柔性数组的使用
         *  柔性数组的优势

**本章重点**

*  为什么存在动态内存管理
 *  动态内存函数的介绍
    
     *  malloc
     *  free
     *  calloc
     *  realloc
 *  常见的动态内存错误
 *  几个经典的笔试题
 *  柔性数组

### 为什么存在动态内存管理 ###

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};`在栈空间上开辟十个字节的连续空间

但是上述开辟空间的方式有两个特点：

1.  空间开辟大小是固定的
2.  数组在声明的时候，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。这时候只能试试动态内存开辟了。

### 动态内存函数的介绍 ###

##### [malloc][] #####

`void* malloc (size_t size);`

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。

*  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

![image-20220922160639199][]

##### [free][] #####

C语言提供了另外一个函数`free`,专门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

*  如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的，那么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

使用场景：

#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;
    }

> 最后让ptr指向空指针是否有必要，这是必须得，因为如果不指向空的话，可能导致下次想要再次访问的时候重新访问到。

##### [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);`

*  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每个字节初始化为0

`calloc = malloc + memset`

##### [realloc][] #####

*  realloc 函数的出现让动态内存管理更加的灵活。
 *  有时候我们会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，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做出灵活的调整。那realloc函数就可以做到对动态开辟内存的大小做出调整

函数原型如下：

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

*  ptr 是要调整的内存地址
 *  size是调整之后的大小
 *  返回值为调整之后的内存的起始位置。
 *  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当中
 *  realloc在调整内存空间是存在两种情况的：
    
     *  原有空间之后有足够大的空间
     *  原有空间之后没有足够大的空间

![image-20220922204530580][]

**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追加空间，原来的数据不会发生改变

**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：在堆空间上另外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地址。

由于上述两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int* ptr = (int*)malloc(100);
    	if (ptr != NULL) {
        
    		//业务处理
    	}
    	else {
        
    		exit(EXIT_FAILURE);
    	}
    	//扩展容量
    	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？如果申请失败了怎么办？
    
    	int* p = NULL;
    	p = realloc(ptr, 1000);
    	if (p != NULL) {
        
    		ptr = p;
    	}
    	free(ptr);
    	return 0;
    }

### 常见的动态内存错误 ###

#### 对NULL指针的解引用操作 ####

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int* p = (int*)malloc(20);
    	*p = 5;
    	return 0;
    }

> 我们知道这个函数，如果开辟失败会返回空指针，如果是空指针就会造成解引用空指针。

#### 对动态开辟空间的越界访问 ####

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int* p = (int*)malloc(20);
    	if (p == NULL) {
        
    		return 1;
    	}
    	else {
        
    		for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
    			*(p + i) = i;
    		}
    		for (int i = 0; i < 20; i++) {
        
    			printf("%d ", p[i]);
    		}
    	}
    	return 0;
    }

#### 对非动态开辟内存使用free释放 ####

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int num = 10;
    
    	int* p = &num;
    
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

> 释放的空间是使用动态内存函数开辟的空间。

#### 使用free释放一块动态开辟内存的一部分 ####

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int* p = (int*)malloc(40);
    	for (int i = 0; i < 5; i++) {
        
    		*p = i;
    		p++;
    	}
    	free(p);
    	p = NULL;//p不在指向动态内存的起始位置
    	return 0;
    }

#### 对同一块动态内存多次释放 ####

#include <stdio.h>
    
    int main() {
        
    	int* p = (int*)malloc(40);
    
    	free(p);
    
    
    
    	free(p);
    }

#### 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏) ####

#include <stdio.h>
    
    int* get_memory() {
        
    	int* p = (int*)malloc(40);
    
    	return p;
    }
    
    int main() {
        
    	int* ptr = get_memory();
    	
    	//使用
    
    	return 0;
    }

**忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏**

切记：

> 动态开辟的空间一定要释放，并且要正确释放

### 几个经典的笔试题 ###

#### 题目1 ####

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    
    void GetMemory(char* p) {
        
    	p = (char*)malloc(100);
    }
    
    void Test() {
        
    	char* str = NULL;
    	GetMemory(str);
    	strcpy(str, "hello world");
    	printf("%s", str);
    }
    
    int main() {
        
    	Test();
    	return 0;
    }

这个程序运行的结果是什么？

![image-20220924105121806][]

> 当程序运行到最后的时候str还是空指针，所以运行错误

#### 题目2 ####

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    
    char* GetMemory() {
        
    	char p[] = "hello world";
    	return p;
    }
    
    void Test() {
        
    	char* str = NULL;
    	str = GetMemory();
    	printf(str);
    }
    
    int main() {
        
    	Test();
    	return 0;
    }

> 这个题目的问题在于Getmemory函数在结束之后，p就销毁了，所以就造成了ptr野指针。

#### 题目3 ####

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    #include <stdlib.h>
    
    void GetMemory(char** p, int num)
    {
        
    	*p = (char*)malloc(num);
    }
    void Test(void)
    {
        
    	char* str = NULL;
    	GetMemory(&str, 100);
    	strcpy(str, "hello");
    	printf(str);
    }
    
    int main() {
        
    	Test();
    	return 0;
    }

> 这个题目很明显，打印的就是hello

#### 题目4 ####

#include <stdio.h>
    #include <string.h>
    
    void Test(void)
    {
        
    	char* str = (char*)malloc(100);
    	strcpy(str, "hello");
    	free(str);
    	if (str != NULL)
    	{
        
    		strcpy(str, "world");
    		printf(str);
    	}
    }
    
    int main() {
        
    	Test();
    	return 0;
    }

> 这里的free释放内存之后，并没有置为空指针，所以会进入条件判断，造成非法访问。

### C/C++程序的内存开辟 ###

![image-20220928202509584][]

C/C++程序内存分配的几个区域：

> 1.  栈区(stack) : 在执行函数的时候，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束的时候，这些存储单元被自动释放。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优先有限。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): 一般由程序猿分配释放，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。

有了以上这幅画，我们就可以更好的理解在《C语言初始》中的static关键字修饰局部变量的例子

> 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，直到程序结束的时候才销毁，所以声明周期变长。

### 柔性数组 ###

> 也许你从来没有听过**柔性数组**，这个概念，但是它确实是存在的。C99中，结构体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。

struct st_type {
        
    	int i;
    
    	int a[0];//柔性数组成员
    }type_a;

有些编译器会报错，无法编译可以改成：

struct st_type {
        
    	int i;
    
    	int a[];//柔性数组成员
    }type_a;

#### 柔性数组的特点 ####

*  结构体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体的大小，以适应柔性数组的预期大小

#### 柔性数组的使用 ####

//代码1
    int i = 0;
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
    //业务处理
    p->i = 100;
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        
    	p->a[i] = i;
    }
    free(p);

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

#### 柔性数组的优势 ####

//代码2
    typedef struct st_type
    {
        
    	int i;
    		int* p_a;
    }type_a;
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
    p->i = 100;
    p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
    //业务处理
    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;

代码1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当中，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能够发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员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**：连续的内存有利于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（其实也没有多高了，反正你跑不了要用偏移量的加法来寻址）

[malloc]: https://cplusplus.com/reference/cstdlib/malloc/?kw=malloc
[image-20220922160639199]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/150d92de20eb4edaa0be67c8a8adcbea.png
[free]: https://cplusplus.com/reference/cstdlib/free/
[calloc]: https://cplusplus.com/reference/cstdlib/calloc/
[realloc]: http://www.cplusplus.com/reference/cstdlib/realloc/?kw=realloc
[image-20220922204530580]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/e59dd77085d642f48c513bf2932b26ec.png
[image-20220924105121806]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/a7638e9658094ddaa5f2fad333051175.png
[image-20220928202509584]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/04/06/71b41e7ab86c4216b3e2bb97137e5cf7.png