动态内存函数+经典笔试题@动态内存管理---malloc +free + calloc + realloc

引：为什么存在动态内存分配？

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int a = 0;//4byte
int arr[10] = {
      0 };//40byte 

这样的开辟方式—

1. 开辟空间大小是固定的，想大不能大，想小不能小；
2. 定义数组时，必须给定大小，然而有时我们需要的空间大小在编译时才会知道。

由此引入动态内存开辟，这就要学习动态内存函数。

正文开始@边通书

1. 动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free

1.1.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数:（头文件：#include）

void* malloc (size_t size);

• void*:这块内存是为谁申请的也不知道，返回什么类型也不合适，那就返回通用类型。
• size：要申请的字节数。

作为malloc函数的使用者，我很清楚我申请的内存空间要来做什么，在使用时要做强制类型转换:

int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

功能：在堆区上申请size个字节的空间，并返回堆区上的起始地址。

• 若开辟成功，返回一个指向开辟好空间的指针；
• 若开辟失败，则返回空指针NULL。

❄️因此，malloc的返回值一定一定要做检查！！！

1.1.2 搭配使用的free

C语言提供了另外一个函数用于做动态内存释放和回收的:
(头文件:#include)

void free(void* ptr);

功能：把ptr所指向的空间还给操作系统

注：

❄️1. 若参数ptr指向的空间不是动态开辟的，则free函数的行为是标准未定义的。
❄️2. 若参数ptr是NULL空指针，即free(NULL);okay,只不过什么都不干。

上代码感受它们的使用：
思考：free(ptr);后的ptr == NULL;是否有必要？

#include
#include

int main()
{
     
	//申请空间
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		return -1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
     
		*(p + i) = i;
	}
	//释放ptr指向的这段内存
	free(p);
	//p = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

调试起来：

可以看到ptr指向的这段空间虽然释放了，但ptr依然指向这段空间（也就是说free根本就不会使ptr发生改变，也不会将ptr主动置空）。

此时ptr是野指针，很危险，就一定要ptr == NULL;，让ptr永远也找不到这段空间。

❄️3. 释放ptr指向的内存空间后free(ptr);，一定要将ptr置空ptr==NULL。

1.2 calloc

C语言还提供了一个calloc函数，也可用来动态内存分配:
(头文件:#include)

void* calloc (size_t num, size_t size);

• void*:空类型，为了适应各种指针类型，以便正确解引用
• num:要申请的元素个数
• size:元素大小

功能：为大小为size的num个元素开辟一块空间，并将每一个字节都初始化为0.

• 若开辟成功，则返回开辟好空间的起始地址
• 若开辟失败，则返回空指针NULL

❄️因此，与malloc一样,对于calloc的返回值也一定一定要做检查！！！

上代码感受：

#include
#include
#include
#include

int main()
{
     
	//申请10个int的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		printf("%s", strerror(errno));//错误码翻译出错误信息
		return -1;
	}
	//申请成功
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
     
		printf("%d ", *(p + i));//打印
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行+调试结果：

演示申请空间失败的情况，申请空间过大：

对比malloc和calloc:

❄️malloc:只负责在堆区申请空间，并返回起始地址，不会初始化空间
❄️calloc:在堆区申请空间，初始化为0，并返回起始地址

以后也很简单，我要初始化我就用calloc,不想初始化我就用malloc.

1.3 realloc

有时我们发现过去申请的内存太小/过大了，为了合理使用内存就一定要对内存大小进行调整。
realloc函数的出现，让动态内存管理更加灵活.(头文件:#include)

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

• ptr:要调整的内存地址
• size:调整后的新大小
• void*:调整后的内存起始地址

❄️realloc在调整内存空间时存在两种情况：

情况1：原空间后有足够大的空间

情况2：原空间后没有足够大的空间

这个函数在调整原内存空间大小的同时，还会将原内存中的数据移动到新的空间中去。

上代码感受：

#include
#include
#include
#include

int main()
{
     
	int* p= (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}
	//申请成功
	//使用
	//...
	//空间不够，增加空间至20int
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//用新指针来接收
	if (ptr == NULL)
	{
     
		return -1;
	}
	else
	{
     
		p = ptr;
	}
	
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
     
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
     
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

❤️注: 为什么这里一定要用新指针来接收：

//空间不够，增加空间至20int
int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//用新指针来接收

//若仍用旧指针p来接收
int* p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));

不可，因为，若内存申请失败返回NULL，则原来p指向的空间也找不到了。

2. 常见动态内存错误

下面再次强化常见动态内存分配的错误点，以后都要避免奥。

2.1 对动态开辟的空间越界访问

#include
#include

void test()
{
     
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		return ;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
     
		*(p + i) = i;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
}
int main()
{
     
	test();
	return 0;
}

运行结果：挂了

2.2 对NULL指针解引用

void test()
{
     
	 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
	 *p = 20;
	 free(p);
}

直接这样写代码是有风险的，若malloc申请内存空间失败，则返回NULL，*p = 20;则是对空指针解引用。
这就要求我们在申请空间后一定要进行判断，先判断，再使用。

✅更正— 在申请空间后一定要进行判断

void test()
{
     
	 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
	 if(p == NULL)
	 {
     
	 	return;
	 }
	 *p = 20;
	 free(p);
}

2.3 对非动态开辟的内存用free释放

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

运行结果 — 又挂了

2.4 使用free释放动态开辟内存的一部分

上代码：

#include
#include

int main()
{
     
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		return -1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
     
		*p++ = i;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果—又挂了

✅传给free的，必须是动态开辟内存的起始位置。

2.5 对同一块内存多次释放

#include
#include

int main()
{
     
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	free(p);
	free(p);//重复释放
	return 0;
}

运行结果—又挂了

✅更正：在free释放p指向的空间后，记得将p置空p = NULL;

#include
#include

int main()
{
     
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	free(p);
	p = NULL;
	free(p);//p为NULL，okay,只不过什么也不做
	p = NULL;
	return 0;
}

2.6 动态开辟的内存忘记释放(内存泄漏)

在堆区上申请的动态内存空间有两种回收方式：

1. 主动free掉
2. 当程序退出时，申请的空间也会回收

思考：

#include
#include

int main()
{
     
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
     
		return -1;
	}
	//使用
	//忘记释放了
	getchar();
	return 0;
}

运行起来，光标闪烁，getchar();等待接收字符，程序不结束，如果这段空间不被释放，造成了内存泄漏。

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏—这块空间你又不用你又不释放，别人也无法使用，如果服务器7*24小时的在跑，那非常可怕，内存会被一点一点耗干。

✅动态开辟的内存空间，一定要释放，且要正确释放。

3. 经典笔试题

3.1 笔试题1

上代码思考：

#include
#include
#include

void GetMemory(char *p) 
{
     
	p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) 
{
     
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);//运行结果？
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

运行结果—挂了

解析:

1°程序崩溃

①str传给p是值传递，p是str的一份临时拷贝，所以当malloc在堆上开辟的空间起始地址放在p中（即p指向了这段空间时），不会影响str，str仍为NULL。
②当str为空时，strcpy想把"hello world"拷贝到str所指向空间时，程序崩溃，因为NULL指向的空间是不能直接访问的（还记得strcpy模拟实现的时候进去就要断言吗）。

2°内存泄漏

更可怕的是想释放都没办法释放，函数调用完，p随之销毁(即malloc开辟出来的空间的起始地址丢失），这段空间无法找到，无从释放。

✅ 更正: 传址调用

void GetMemory(char** p) 
{
     
	*p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) 
{
     
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);//运行结果？

	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

运行结果:

❤️注:
这里大家可能有疑惑在printf(str);。

char* p = "hello world";
printf("hello world");
printf(p);//okay！

3.2 笔试题2

上代码思考:

#include
#include

char* GetMemory(void) 
{
     
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void) 
{
     
	char *str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);//运行结果？
}
int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

运行结果 — 打印随机值

解析 — 事实上，这都属于返回栈空间地址引发的问题

像这样返回栈空间地址就是典型的造成野指针的原因之一。

与之相似的错误代码演示:

#include

int* test()
{
     
	int n = 10;
	return &n;
}

int main()
{
     
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);
	return 0;
}

预测运行结果：可能打印随机值。

运行结果—虽然报了一个警报，但还是打印了10

这可能会让你震惊，这里打印10也并非巧合，如果还没调用其他函数，销毁的空间未被覆盖掉，确实可能访问到10.

我当然也可以让它不是10，这里随便打印一个"hehe":

int main()
{
     
	int* p = test();
	printf("hehe\n");
	printf("%d\n", *p);//运行结果？
	return 0;
}

再来运行，运行结果— 随机值

解析—画图简述函数栈桢创建与销毁：

这些讨论，都是为了说明返回栈空间地址时的这种错误。

3.3 笔试题3

#include
#include
#include

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;
}

问题：内存泄漏！！

✅要记得释放空间：

free(str);
str = NULL;

3.4 笔试题4

#include
#include
#include

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

int main()
{
     
	Test();
	return 0;
}

有结果也不对，要明白编译器是不能查出所有错误的，不然要你程序猿干嘛。

解析

因此，还是要记得free后，将str置空。

free(str);
str = NULL;

4. C/C++程序的内存开辟

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，因此会有栈溢出的情况。
   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(操作系统)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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解static关键字修饰局部变量的例子了。

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，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长。

下篇文章将介绍柔型数组。
未完待续@边通书