【C语言】动态内存管理 [进阶篇_ 复习专用]

前情提要

本章节就进入C语言的核心：深度剖析C语言动态内存管理

接下来我们即将进入一个全新的空间,对代码有一个全新的视角~

以下的内容一定会让你对C语言有一个颠覆性的认识哦！！！

以下内容干货满满，跟上步伐吧~

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作者介绍：

作者： 热爱编程不起眼的小人物
作者的Gitee：代码仓库
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我和大家一样都是初次踏入这个美妙的“元”宇宙 希望在输出知识的同时，也能与大家共同进步、无限进步

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本章重点

• 动态内存分配

• 动态内存函数

• 常见错误&经典笔试题

• 柔性数组

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一.动态内存分配

Ⅰ.为什么存在动态内存分配

在我们已知的C语言对于内存空间的开辟有一个方法：申请栈区开辟开辟

如下：

int a = 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

❗特别注意：

对于上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 1️⃣空间开辟大小是固定的

• 2️⃣ 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

✨综上：

• 这种方式开辟的空间不够灵活

• 有时候可能需要在程序运行的时候才知道所需的空间，那这种空间的开辟方式就不能满足了

➡️以下，便引出我们的动态内存开辟啦~

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二.动态内存函数

Ⅰ.malloc和free

void* malloc (size_t  size);

malloc函数的作用： 向内存的堆区申请开辟一块连续可用的空间

• 函数的参数： 想要申请的空间大小【单位：字节】

• 函数的返回值： 返回的是指向这块空间起始地址的指针，指针类型为void*

➡️函数工作原理：

• 如果malloc 开辟空间成功,则返回一个指向开辟好空间起始地址的指针
• 如果malloc开辟空间失败，则返回一个NULL指针

❗有了以上了解，我们可以得出三点：

• 1️⃣malloc函数开辟的空间是在堆区上开辟的，且是连续的，这也就是为什么可以类似于访问数组成员的方式使用这块空间

• 2️⃣malloc开辟成功时返回类型为void*，是因为malloc函数并不知道开辟空间的类型，所以具体类型在使用的时候自己来决定，去强制转换成什么样的类型

• 3️⃣malloc开辟失败时返回值为NULL，所以我们需要对返回值做出检查，以防非法访问内存的现象出现

特别注意：

• malloc函数不允许开辟0字节的空间，因为这个属于标准未定义，是无意义的

✨函数存储的位置:

接下来，我们再介绍一下free函数，便可以开始使用动态内存开辟啦~

Ⅱ.free函数

void free (void* ptr);

free函数的作用： 用来做动态内存的释放和回收

• 函数的参数： 输入指向想要释放的空间的起始地址的指针

• 函数的返回类型： void*

➡️函数工作原理：

• 将传入的指针所指向的那块空间释放掉

❗有了以上了解，我们可以得出如下结论：

• ➡️想要释放指针所指向的那块空间，指针必须是指向空间的起始地址，否则会产生如下问题：

  1. 若指针丢失了开辟的空间的起始地址【Eg：指向的是空间中的其它地址……】，释放此空间时会造成内存泄露（即释放的空间不干净）

  2. 若没有对开辟的空间进行及时的释放，则也会造成 内存泄露的问题，那这块空间就会一直占用着内存，浪费空间

特别注意：

• 1️⃣如果参数指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的

• 2️⃣如果参数是NULL指针，则函数什么事都不做

✨综上： 对于动态开辟的空间，使用完后记得及时释放~

Ⅲ.malloc和free的使用

示例如下：

#include 

int main()
{
	//假设开辟10个整型的空间
	//10*sizeof（int）
	
	//动态内存开辟
	int* ptr = (int*)malloc(10 *sizeof(int));
	//判断ptr指针是否为空
	if(ptr == NULL)
	{
		perror("main");
		return 1;
		//直接结束程序
	}
	else
	{
		//使用
		int i = 0;
		for(i=0; i<10; i++)
		{
		//初始化开辟的内存为0
			*(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;
}

❗由上，同学们觉得下面这行代码有必要吗？

ptr = NULL;//是否有必要？

➡️答案是：有必要的，因为：

• 当这个指针所指向的空间被释放后，我们应该主动的将这个指针置为NULL,以防止非法访问内存

特别注意：

堆区的空间也不是无限制开辟的，是有限的

Ⅳ.calloc函数

void* calloc (size_t num, size_t size);

calloc函数的作用： 与malloc函数一样，用来动态内存分配

• 函数的参数：

  1. num为想要开辟地空间个数

  2. size为想要开辟的单个空间的大小【单位：字节】

• 函数的返回值： 返回的是指向这块空间起始地址的指针，指针类型为void*

➡️函数工作原理：

• 1️⃣与malloc一样，且传参的时候比malloc函数更加具体，将两个参数分开来填写

• 2️⃣而且会将开辟好的这块空间全部初始化为0

❗综上，我们可以得出：

• 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

举个例子：

int main()
{
	int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + 1));
	}

	free(p);

	p = NULL;

	return 0;
}

Ⅴ.realloc函数

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

realloc函数的作用： 再原有动态内存开辟的空间基础上，实现对动态开辟内存大小的调整

• 函数的参数：

  1. ptr为要调整动态内存开辟的内存地址

  2. size为调整之后的新大小

• 函数的返回值： 返回的是调整之后指向这块空间起始地址的指针，指针类型为void*

➡️函数工作原理：

• 1️⃣realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活

• 2️⃣realloc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

❗综上，我们可以得出点：

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

• ①原有空间之后有足够大的空间：realloc便会将扩大的空间在原有空间的基础上，向后追加空间，原来空间的数据不发生变化

• ②原有空间之后没有足够大的空间： 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。【原有的数据会存储在新的空间上，且原有的空间会被释放】

❗特别注意：

• 极度不建议拿原有的指针去接收新调整过的空间

  • 因为开辟失败，返回的是NULL指针，赋给原有指针的话，会把原有的空间地址给覆盖，那原来那块空间便会丢失，找不到 ，会造成内存泄漏的问题

Ⅵ.总结

✨综上：就是开辟动态内存函数啦~

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三.常见的动态内存错误

Ⅰ.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);
}

❗会造成非法访问内存的问题

✨为了防止这种问题出现，应对动态内存开辟后的返回值作判断先

Ⅱ.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)
	{
		return 1;
	}
	
	for(i=0; i<=10; i++)
	{
		*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

❗会造成非法访问内存的问题

✨为了防止这种问题出现，应对谨慎对照着使用空间

Ⅲ.对非动态开辟内存使用free释放

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

❗该行为是未定义的

✨为避免，可简单理解为free与动态内存开辟来搭配使用即可

Ⅳ.使用free释放一块动态开辟内存的一部分or忘记释放

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

❗该行为会造成释放不完全，形成内存泄露的问题

✨所以未避免这种问题，应避免对指针的地址进行操作

Ⅴ.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
}

❗会造成程序报错

✨重复释放的操作就完全没意义啦~

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Ⅳ.经典的笔试题

Ⅰ.试题一

void GetMemory(char *p)
{
	p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

❓请问运行Test函数会有什么样的结果？

以上程序共犯如下错误：

• 1️⃣str传给GetMemory函数的时候，是值传递，所以GetMemory函数的形参p是str的一份临时拷贝,所以在函数内部申请的空间的返回值并没有真正赋值给str

• 2️⃣因为str还是NULL，所以strcpy会执行失败

• 3️⃣当GetMemory函数返回之后，形参p销毁，使得动态内存开辟的100个字节的空间存在内存泄露，无法释放

✨为避免这种错误，可以：

• 在传参的时候传&str，然后形参部分用二级指针接收即可

Ⅱ.试题二

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

void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

❓请问运行Test函数会有什么样的结果

以上程序共犯如下错误：

• GetMemory函数内部创建的数组是在栈区上创建的出了函数，结束函数时，p数组的空间就还给操作系统，返回的地址是没有意义的，如果通过返回的地址去访问内存，就是非法访问内存

Ⅲ.试题三

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char *)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

❓请问运行Test函数会有什么样的结果

以上程序共犯如下错误：

• 没有对内存开辟的空间进行释放

✨为避免这种错误，可以：

• 对申请的空间进行释放,并手动对指针置为NULL

Ⅳ.试题四

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

❓请问运行Test函数会有什么样的结果

以上程序共犯如下错误：

• 内存被提前释放,造成非法访问内存的情况

✨为避免这种错误，可以：

• 释放完内存后，对指针认为置为NULL,这样就访问不到了

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Ⅳ.内存布局

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

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Ⅴ.柔性数组

Ⅰ.柔性数组的概念

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

可表示为：

• 1️⃣

struct S
{
	int n;
	//其余成员变量
	//...
	int arr[]; //大小是未知的
};

• 2️⃣

struct S
{
	int n; 
	//其余成员变量
	//...
	int arr[0]; //大小是未知的
};

Ⅱ.柔性数组的特点

❗特别注意：

• 1️⃣结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员

• 2️⃣sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存大小

• 3️⃣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

Eg：

• 1️⃣

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

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(type_a));
	//空间大小为：4字节
	return 0;
}

• 2️⃣

typedef struct st_type
{
	char d;
	int b;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(type_a));
	//空间大小为：8字节
	return 0;
}

由上述的两个例子我们得出：

• 除柔性数组成员外的其余成员变量，都遵循着结构体的内存规则：内存对齐

• 即使给了柔性数组成员空间大小，也依然不会计算其空间

Ⅲ.柔性数组的使用

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

int main()
{
	//开辟
	type_a* str = 
(type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	
	//使用
	//...

	//释放
	free(str);
	str = NULL;

	return 0;
}

❗由上述我们可得知：

• malloc所开辟的空间是专门为柔性数组成员申请的，其中：

  • 1️⃣malloc里的+号前面的是给其余成员变量开辟空间的【遵循内存对齐，所以为了避免计算直接用sizeof】

  • 2️⃣+号后面的是给柔性数组成员开辟的空间【不用遵循内存对齐，所以可以直接按需开辟】

✨综上： 就给柔性数组成员开辟了100个整型元素的连续空间，这也是为什么柔性数组使得结构体更加灵活啦~

Ⅳ.柔性数组的优势

同学们可以比较以下两组代码，看看有什么不同：

1️⃣柔性数组

2️⃣指针模拟柔性数组

❗我们不难发现： 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：

• 1️⃣方便内存释放：

  • 代码1可直接由一个指针释放整个结构体

  • 但代码2需要释放两次:一个是释放结构体，另外一个释放成员变量指针

  • 【且需要按顺序释放，先释放内部,再释放外部】

• 2️⃣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

Ⅴ.总结

✨综上：就是柔性数组的内容啦~

➡️相信大家对动态内存开辟有不一样的看法了吧

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总结

综上，我们基本了解了C语言中的 “动态内存管理” 的知识啦~~

恭喜你的内功又双叒叕得到了提高！！！

感谢你们的阅读

后续还会继续更新，欢迎持续关注哟~

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