⭐️欢度国庆-共约C语言进阶⭐️ 动态内存管理+柔性数组【 建议收藏 】
目录
前言
为什么存在动态内存分配
动态内存函数的介绍
malloc和free函数
malloc函数：
free函数
calloc函数
realloc函数
常见的动态内存错误
几个经典的笔试题
C/C++程序的内存开辟
柔性数组
柔性数组的特点
柔性数组的使用和优势
前言
本文章主要讲解：
- 动态内存管理的使用即注意事项
- 有关于动态内存管理的寄到笔试题讲解
- 柔性数组的使用
为什么存在动态内存分配
- 一般的开辟空间方式：
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- 特点：
空间开辟大小是固定的（ 数组申明必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配）
但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，由此动态内存开辟就来了
动态内存函数的介绍
malloc和free函数
malloc函数：
- 作用：
一个用来动态内存开辟的函数（开辟空间单位为字节）
- 定义：
void* malloc (size_t size);- 注意：
- 这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向该空间的指针
- 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针，并且所开辟的空间内容都为随机值
- 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（需要用强制类型转化成所需要的指针类型，便于空间访问）
- 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
free函数
- 作用：
专门是用来对动态开辟的内存进行释放和回收
- 定义：
void free (void* ptr);- 注意：
- 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
注： malloc 和 free 都声明在 stdlib.h 头文件中
- 示例：
#include
int main()
{
//代码1
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};//err
//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 - 问：为真么free ptr后依旧需要将ptr置为空指针
- 举个特别的例子：
- 再问：如果忘记free动态申请的空间地址，会怎么样
如果它在程序中一直没有使用，那么就会导致内存的白白占用（此时不是内存泄漏）
而如果它在程序中没有被free就被指向另一块地址了（或者该被被销毁），那么就会导致这块地址在这个进程中永远无法被找到（即内存泄露：无用的内存越来越大，操作系统得一直给这个进程分配内存）
所以要么主动free，要么只能等进程结束（自动释放内存，不建议）
calloc函数
- 作用：
同样也是用来开辟动态内存的函数
- 定义：
void* calloc (size_t num, size_t size);- 注意：
- 第一个参数num开辟空间个数，第二个参数size为每个开辟空间的大小（单位为字节）
- 对于所开辟的空间会被初始化为0（与 malloc 的唯一区别，即返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0）
- 示例：
#include
#include
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if(NULL != p)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} - 效果：
realloc函数
- 作用：
用来调整动态开辟空间的大小（可大可小，更具需求来调整）
- 定义:
void* realloc (void* ptr, size_t size);- 注意：
- 参数 ptr 是要调整的内存地址（一定是动态申请空间的首地址）
- size 调整之后新大小（单位为字节）
- 返回值为调整之后的内存起始位置（同样需要更具需要进行强制类型转化来访问空间）
- realloc在调大内存空间时存在两种情况：
- 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
- realloc()将返回原指针
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
- 堆空间上找到另一个空间（合适大小的连续空间，足够所要开辟空间的大小）来开辟
- 同时将原来开辟空间所存有的内存进行拷贝，拷贝后则将原来开辟的空间还给电脑
- 如果申请成功函数返回的是一个新的内存地址
- 如果申请开辟失败，则将返回NULL，此时，原来的指针仍然有效
- 示例：
//扩展容量
#include
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
} - 错误申请：
//代码1
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)如果申请失败返回NULL，再将ptr赋值为NULL，则原来动态开辟空间地址丢失
- 正确申请：
//代码2
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}常见的动态内存错误
- 示例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);
}- 正确示例：
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
if(p！=NULL)
{
*p = 20;
}
free(p);
p=NULL;
}注：对于动态内存开辟一定要考虑开辟失败的情况
- 示例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)
{
//开辟失败则结束进程
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问(非法行为)
}
free(p);
p==NULL;
}注：越界访问是非法的操作，所以一定要注意范围是否符合
- 示例3：对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}注：对非动态开辟的空间free是非法的
- 示例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
}- 注意：
- free一定是释放开辟内存的首起始位置
- ++/–在某些情况下是具有副作用的，如果在上述情况下需要使用的话，可以先保给原地址进行一个备份
- 示例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
}- 注意：
- 对释放的空间一定要进行及时的置空，并且不能重复释放同一空间，如果及时置空，再次free也只是free空地址，对空地址free不会有任何操作
- 即使有两个指向同一内存的，也只能free一个，因为释放完之后，原有的内存空间已经释放掉了，再进行释放就是重复释放
- 示例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);
}注：在上文中已经提及，养成好习惯一定要free，并且置空
几个经典的笔试题
- 例题1：
void GetMemory(char *p) {
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);//会输出hello world吗？
}- 解释：
void GetMemory(char *p) {
p = (char *)malloc(100);//函数结束p被销毁，并不能将动态开辟空间地址给带出来
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(str);//传入的是str的值即NULL，并非传入str的地址（只有传入str的地址才能修改str指向的对象）
strcpy(str, "hello world");//strcpy不能对空指针进行拷贝操作，会报错
printf(str);//空指针打印不出什么
}- 例题2：
char *GetMemory(void) {
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);//会打印吗？
}- 解释：
char *GetMemory(void) {
//字符数组在栈上开辟
char p[] = "hello world";
//函数结束，对应开辟的空间会被还给电脑，此时p为悬空指针（对其操作为非法行为）
return p;
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);//对悬空指针操作为非法行为
}- 例题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);//会打印吗？
}- 解释：
void GetMemory(char **p, int num) {
*p = (char *)malloc(num);//成功修改str指向的对象，能够带回动态开辟的空间地址
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);//成功打印hello
}- 例题4：
void Test(void) {
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
//会出现什么结果？- 解释：
void Test(void) {
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);//free虽然是释放动态内存空间，但str内容不会被修改，也就是说str为悬空指针
//free动态开辟空间，一定要置空（养成好的习惯）
if(str != NULL)
{//对悬空指针操作为非法行为
strcpy(str, "world");
printf(str);//出错
}
}C/C++程序的内存开辟
- 示例：
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
int main()
{
static int staticVar = 1;
int localVar = 1;
int num1[10] = { 1,2,3,4 };
char char2[] = "abcd";
char* pChar3 = "abcd";
int* ptr1 = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, 4 * sizeof(int));
free(ptr1);
free(ptr3);
return 0;
}- 示图:
- C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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
- 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）
- 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）
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码
柔性数组
- 概念：
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
- 示例：
//示例1：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//示例2：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;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
柔性数组的使用和优势
- 柔性数组使用示例：
//code1
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
int i = 0;
//获得100个整型元素的连续空间
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//在原来结构体大小的基础上+需要开辟的柔性数组大小
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
p=NULL；- 动态内存开辟使用示例：
//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;- 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：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