C语言 动态内存管理

目录

前言

一、动态内存分配

二、malloc和free函数

2.1 malloc函数

2.2 free函数

三、calloc和realloc函数

3.1 calloc函数

3.2 realloc函数

四、常见的动态内存的错误

 1.对NULL指针的解引用操作

2.对动态开辟空间的越界访问

3.对非动态开辟内存使用free释放

4.使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

5.对同⼀块动态内存多次释放

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

五、动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1

5.2 题目2

5.3 题目3

5.4 题目4

六、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

七、总结C/C++中程序内存区域划分

总结

前言

当一个内存空间是程序运行前我们无法确定的，且大小无法估计，这就是动态内存。今天我们来讲一下C语言中动态内存管理，

一、动态内存分配

为什么要动态内存分配呢？让我们来看一下我们已知的开辟内存空间的方法：

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：
• 空间开辟大小是 固定 的。
• 数组在申明的时候，必须 指定数组的⻓度 ，数组空间⼀旦确定了大小不能调整
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。
C语⾔引⼊了 动态内存开辟 ，让程序员自己可以 申请和释放 空间，就比较灵活了。

二、malloc和free函数

2.1 malloc函数

C语言中malloc函数就是来开辟内存空间的：

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 。
• 需要头文件 #include<stdlib.h>
• 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
  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。 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main() {
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));//开辟5个整型的空间
	if (p == NULL) {  //判断返回是否为空
		return 1;
	}
}
如图开辟了五个整型的空间，值为随机值。

2.2 free函数

free 函数 ，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。
•  需要头文件 #include<stdlib.h>
• 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。 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main() {
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));//开辟5个整型的空间
	if (p == NULL) {  //判断返回是否为空
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++) {//赋值
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++) {
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);//释放动态内存空间
	p = NULL;
	
}
free释放空间之前：

free释放空间之后：

最后p=NULL，是为了防止p变成野指针。

三、calloc和realloc函数

3.1 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);
•  需要头文件 #include<stdlib.h>
• 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 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));//开辟5个大小为4的整型字节
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 5; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));//打印
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

空间的每个字节初始化为0：

所以如果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。

3.2 realloc函数

当我们有时感觉我们开辟的空间大了或者小了，我们难道需要重新开辟吗？

这个时候我们就可以使用realloc函数可以做到对动态开辟内存大小的调整，让动态内存管理更加灵活。函数原型如下： 

 void* realloc (void* ptr, size_t size);
• 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。
• 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
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：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，具体步骤： 
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//扩展容量

	//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);

	//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

代码1其实有问题，如果扩展失败，ptr就变为空指针了，会导致内存泄漏的问题。

上述讲的四个动态内存有关的函数都存放在内存的堆区：

四、常见的动态内存的错误

在了解动态内存后，我们现在来看一下常见的动态内存的错误。

 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);
 }

2.对动态开辟空间的越界访问

void test()
 {
   int i = 0;
   int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
   if(NULL == p)
    {
     exit(EXIT_FAILURE);
    }
   for(i=0; i<=10; i++)
   {
     *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
    }
   free(p);
 }

3.对非动态开辟内存使用free释放

void test() {
   int a = 10;
   int *p = &a;
   free(p);//error
 }

free只能释放堆区上的内存，及malloc/calloc/realloc函数开辟的内存空间。

4.使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

void test()
 {
   int *p = (int *)malloc(100);
   p++;
   free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
 }

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
 }

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;
     }
 }
int main()
 {
   test();
   while(1);
 }

调用完test函数后，指针变量*p被销毁了，但是开辟的内存空间还在，没有被释放。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，并且正确释放。

关于free函数

五、动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1

void GetMemory(char *p)
 {
   p = (char *)malloc(100);
 }
void Test(void)
 {
   char *str = NULL;
   GetMemory(str);
   strcpy(str, "hello world");
   printf(str);
 }
运行Test 函数会有什么样的结果？
GetMemory函数是传值，传递的是str的值，调用完会p会被销毁，会导致内存泄漏，而str还是空指针，对空指针解引用会导致程序崩溃。

5.2 题目2

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

运行Test 函数会有什么样的结果？

GetMemory调用完后p数组空间会被销毁，返回的p就变成了一个野指针，结果不确定。

5.3 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);
 }

运行Test 函数会有什么样的结果？

GetMemory调用是传址调用，所以是str就为开辟空间的地址，就可以顺利打印了。

5.4 题目4

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

运行Test 函数会有什么样的结果？

开辟的空间提前被释放了，所以str指向的空间不存在了。

六、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。 
typedef struct st_type
{
   int i;
   int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

在有些编译器上报错，还可以改成：

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

6.1 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。 
typedef struct st_type
{
  int i;
   int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
   printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
   return 0;
}

输出结果为4，说明在计算大小不包括柔性数组的内存。

6.2 柔性数组的使用

//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

typedef struct st_type
{
  int i;
   int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
   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);
   return 0;
}
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。

6.3 柔性数组的优势

我们来看看下面柔性数组的优点，上面代码我们可以这样实现：

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
   int i;
   int *p_a;
}type_a;
int main()
{
   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;
}
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fb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。
我们也可以了解：C语⾔结构体⾥的数组和指针

七、总结C/C++中程序内存区域划分

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。

总结

上述文章讲了C语言中的动态内存管理，希望对你有所帮助。

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