❤️C语言动态内存管理库函数介绍❤️
⭐️前面的话⭐️
大家好！在实现动态通讯录的时候，我用到了malloc 和realloc动态申请内存，所以今天我想来和大家分享有关动态内存管理函数与柔性数组的相关知识。
Hi~ o(￣▽￣)ブ这里是猪猪程序员
很高兴见到你O(∩_∩)O！ 现在正在发芽中…
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本文由猪猪原创，CSDN首发！首发时间：2021年10月2日
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❤️C语言动态内存管理库函数介绍❤️
- 1.C语言动态内存管理库函数介绍
-
- 1.1为什么存在动态内存管理
-
- 1.1.1 动态内存管理的原因
- 1.1.2 动态内存分布
- 1.2动态内存管理函数
-
- 1.2.1malloc
- 1.2.2free
- 1.2.3calloc
- 1.2.4realloc
- 1.3动态内存管理函数易错点
-
- 1.3.1对NULL指针的解引用操作
- 1.3.2对动态开辟空间的越界访问
- 1.3.3对非动态开辟内存使用free释放
- 1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 1.3.5对同一块动态内存多次释放
- 1.3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 2.C语言动态内存管理库函数应用
-
- 2.1常见相关笔试题
- 2.2C/C++语言中的内存开辟
- 2.3柔性数组
-
- 2.3.1柔性数组特点与使用
- 2.3.2柔性数组的优点
1.C语言动态内存管理库函数介绍
1.1为什么存在动态内存管理
1.1.1 动态内存管理的原因
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。
1.1.2 动态内存分布
我们知道，内存中分为三部分，我们今天要学习的动态内存管理分配在堆区。
1.2动态内存管理函数
1.2.1malloc
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：malloc
语法：
void* malloc (size_t size);
这个函数向内存申请一块连续可用的空间，大小为size个字节，并返回指向这块空间的指针。
注意事项：
- 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 - 需要引用头文件
#include
malloc的使用：
如果要申请40个字节的空间存放整型，则将void*强制转化成int*
int* p = (int*)malloc(40);
由于malloc开辟内存可能失败，因此开辟完之后要检查是否开辟成功
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("开辟内存失败");
}
else
{
//可以使用
}
malloc对内存的开辟：
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(40); //申请空间
if (p == NULL)
{
printf("开辟内存失败");
}
else
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i; //对申请的空间进行赋值操作
}
}
但是上面的程序忽略了动态内存的释放，存在内存泄漏的风险。正确的做法是加上free函数，并且在最后对p指针赋值为NULL，否则即使用free释放内存之后，p里面依旧存放的是原来的地址，此时的p就是一个野指针。
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(40); //申请空间
if (p == NULL)
{
printf("开辟内存失败");
}
else
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i; //对申请的空间进行赋值操作
}
free(p); //有借有还，再借不难
p = NULL; //好习惯：内存释放后，将指针变量置空
}
1.2.2free
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：
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。
使用：
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(40); //申请空间
if (p == NULL)
{
printf("开辟内存失败");
}
else
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i; //对申请的空间进行赋值操作
}
free(p); //释放空间
}
举个栗子：
#include 注意：
动态开辟的内存释放共有两种方式
- 用free来主动释放内存
- 当程序退出的时候会自动释放内存
1.2.3calloc
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。
语法：
void* calloc (size_t num, size_t size);
calloc的使用：
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));///开辟一个存放10个整型的内存空间，并且赋初值为0
由于calloc开辟内存也可能失败，因此开辟完之后同样要检查是否开辟成功。
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("开辟内存失败");
}
else
{
//可以使用
}
举个栗子：
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno)); //申请失败时打印错误信息
return -1;//申请失败
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ",*(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
这里博主使用了一个库函数strerror，具体用法请参见这篇博客哦~
malloc与calloc开辟内存空间：
注意：
- 函数的功能是为
num个大小为size字节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，而malloc只负责在堆区上申请空间，并返回起始地址，不初始化内存空间。
什么时候用malloc,什么时候用calloc呢？
当我们想对开辟的空间进行初始化的时候就用calloc,否则使用malloc
1.2.4realloc
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，那为了合理的时
候内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。 realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
语法：
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增容失败时也会返回空指针
注意：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
由于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。 -
由于上述的两种情况，
realloc函数的使用就要注意一些。
举例来说：当我们开辟完10个整型的空间之后还想再开辟10个整型的空间，
对于情况1：就直接再后面继续开辟10个int型的内存空间
对于情况2：把初始的10个int型数据拷贝过来，并且继续添加新开辟的10个int型的内存空间，而原来之前的10个int的内存空间会被realloc给free释放。
realloc使用：
- 不要直接对原本的指针进行realloc操作，否则如果内存申请失败，那么原来的指针就会被赋值为NULL，之前的数据就丢失了，正确的方法应该是重新创建一个指针，如果内存开辟成功，再赋值给p
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
pritnf("%d ", *(p + i));
}
//空间不够了，增加空间到20个int
int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//不要直接让p=realloc(p,20*sizeof(int)
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
1.3动态内存管理函数易错点
1.3.1对NULL指针的解引用操作
如果没有判断开辟内存后的指针返回的是不是NULL，就可能会出错。
void test()
{
int *p = (int *)malloc(20);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
上面这段代码如果开辟失败，则p的值为NULL，而对空指针解引用操作是错误的。
正确写法：
int* p = (int*)malloc(20);
if (p1 == NULL)
{
return -1;//如果p的值是NULL，后面的代码就不执行了
}
*p = 20;
free(p);
1.3.2对动态开辟空间的越界访问
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(200);
if (NULL == p)
{
return -1;
}
for (i = 0; i <= 80; i++)
{
*(p + i) = i;//当i超过50的时候越界访问了
}
free(p);
p = NULL;
上面这段代码由于越界访问，会导致程序崩溃。
正确写法：
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(200);
if (NULL == p)
{
return -1;
}
for (i = 0; i <49; i++)//最多只能到50
{
*(p + i) = i;//当i超过50的时候越界访问了
}
free(p);
p = NULL;
1.3.3对非动态开辟内存使用free释放
使用free必须是对动态开辟的内存才能使用。
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);
}
上面这段代码由于p指向的空间不是动态内存，因此不能用free释放这块空间
正确写法：
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
p=NULL;
}
1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分
使用free释放一块动态开辟内存的一部分，这样是错误的，释放的指针必须指向这块空间的起始位置。
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
return -1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p++ = i;
}
free(p);
p = NULL;
上面这段代码由于p指向的空间已经不再是这块空间了，释放掉的是malloc开辟内存之后的空间，因此发生错误。
正确写法：
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
return -1;
}
int* ptr = p;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p++ = i;
}
free(ptr);
p = NULL;
1.3.5对同一块动态内存多次释放
不能对已经释放过的内存空间再一次释放。
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
正确写法：
- 只释放一次内存
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
}
- 将指针赋值为
NULL之后即可多次释放
由于空指针什么都不做，因此可以多次释放。我们要养成良好的习惯，就是在每次释放完成后将p赋值为NULL
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
p = NULL;
free(p);
p = NULL;
}
1.3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
内存泄漏：当我们不去释放内存空间，也不去使用它时，如果程序一直在进行，那么就会造成内存泄漏
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while(1);
}
正确写法：
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
free(p);
p=NULL;//养成好习惯
}
int main()
{
test();
while(1);
}
2.C语言动态内存管理库函数应用
2.1常见相关笔试题
题目一：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);
}
分析：程序运行极大可能打印随机值
- 由于
p是一个局部变量，因此当其出了函数GetMemory之后就会销毁，虽然在销毁之前将地址返回给str,但str维护的是一块野指针，因此str就会非法访问内存. - 这类问题属于
返回栈空间地址的问题。栈空间的地址不能轻易返回，因为一旦出了作用域之后就被销毁了。
题目二：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);
}
分析：程序运行打印随机值
函数GetMemory的形参为char* p，p为该函数的局部变量，作用域在函数内部，出了函数该变量就被销毁了，并且没有对申请好的内存进行释放。所以参数str传入函数GetMemory后，其值不会改变，仍为NULL，空地址是不能被用户访问修改的，因此程序崩溃。
题目三：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);
}
分析：该程序虽然会输出hello，但是是存在内存泄漏的，因为最后并没有释放申请的内存。
正确写法应该是：
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;
}
题目四：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);
}
}
分析：由于free完没有置为NULL空指针，因此错误。
正确写法：
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
str=NULL;
}
2.2C/C++语言中的内存开辟
-
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。 -
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。
2.3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。
在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。
2.3.1柔性数组特点与使用
typedef struct st_type
{
int i;
int a[]; //柔性数组成员
}type_a;
注意事项：
- 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。
举个栗子：
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
这里输出的是4，不包括柔性数组的大小。
为柔性数组开辟空间
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);
这里使用malloc为柔性数组开辟空间，100*sizeof(int)就是开辟了柔性数组的空间。
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。
2.3.2柔性数组的优点
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事。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。
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