【C语言】动态内存管理 - malloc等函数详解
目录
- 1. 为什么存在动态内存分配
- 2. 动态内存函数的介绍
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- 2.1 malloc和free
- 2.2 calloc
- 2.3 realloc
- 3. 常见的动态内存错误
- 4. 几个经典的笔试题
- 5. C/C++程序的内存开辟
- 6. 柔性数组
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- 6.1 柔性数组的特点和使用
- 6.2 柔性数组的优势
1. 为什么存在动态内存分配
到目前为止，掌握的内存开辟方式有：
int val = 10//在栈空间上开辟4个字节int arr[10]//在栈空间上开辟40个字节的连续空间
而这上述的方法都有两个特点：
- 开辟的空间大小是固定的
- 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内存开辟了。
2. 动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
//返回类型：void*指针，参数要开辟空间的字节数
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起始字节的地址。
- 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。
举个例子：
#include 代码中数组的开辟形式与动态内存开辟的形式有什么不同呢？
首先它们的存储区域是不一样的，内存分为栈区、堆区和静态区。
栈区是用来存放局部变量、形式参数和临时性的变量等
堆区是用来存放malloc、calloc、realloc和free开辟和操作的空间。
而int arr[10] = { 0 };这是在栈区上申请40个字节，通过int* pa = (int*)malloc(40);申请的空间则在堆区上，malloc申请的空间如果不够大，可以调整，而在栈区申请的空间大小不能随便乱动。
上面代码中虽然最后没有free(释放)掉申请的空间，但是并不意味着内存空间会泄露，当程序退出的时候，系统会自动回收内存空间的。
内存泄漏：这块空间分配给你，你用完之后不还回，这时这块空间你不用了你也不还，别人也不用不上了，如果永远不还，就意味着永远也拿不到该空间，这就意味着这块空间丢了，也就是内存泄漏
和malloc相关的函数是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(error)。
- 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。
int main()
{
int* pa = (int*)malloc(40);
if (pa == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//正常使用完后释放，相当于把该内存空间
//还给操作系统了
free(pa);
//然后把pa赋值为空指针
//这是因为虽然释放了该内存块
//但是pa依然记得这块空间的起始地址
//所以要让pa彻底“失忆”
//不让它在指向这块空间
pa = NULL;
return 0;
}
2.2 calloc
除了malloc，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：
//返回类型：void*指针，参数：要开辟数据的个数，数据大小所占的字节数
void* calloc (size_t num, size_t size);
- 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。
比如：
#include 
calloc = malloc + memset.
2.3 realloc
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。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
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。
比如说：
int main()
{
int* pa = (int*)malloc(40);
if (pa == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//赋值1~10
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
*(pa + i) = i + 1;
}
//这时空间不够用了
//使用realloc来扩容
//把要调整空间的起始地址
//和增添后的空间总大小传参
//原来大小40，再增加40，所以是80
realloc(pa, 80);
//那么这个函数在内存中是怎么工作的？
//下面解释
return 0;
}
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
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
画图解释两种情况：
第二种情况，返回的新地址可以直接在赋值给pa吗？
其实是不可以的，如果realloc函数扩容失败了，返回了一个空指针赋值给了pa，pa本来还是指向原来的空间，结果为NULL之后连原来的空间都找不到了，因此正确的做法为：
int* ret = (int*)realloc(pa, 80);
if (ret != NULL)
{
pa = ret;
}
//使用..
free(pa);
pa = NULL;
做一个小转换就可以了，这样pa得到的才是有效的地址。
realloc(NULL, 40) == malloc(40)
如果频繁地开辟动态内存，会造成内存和内存之间存在空隙，也就是内存碎片化，如果这个碎片没有好好利用，就会导致内存的利用率和效率的下降。
效率下降是因为申请空间是在堆区上申请的，而堆区是操作系统管理的，所以使用malloc等函数申请空间是调用操作系统提供的接口，然后去堆区上申请空间，每次申请都要打断操作系统的执行，然后让操作系统帮我们去申请 ，而申请是需要浪费时间的，所以频繁的申请会导致效率的下降.
3. 常见的动态内存错误
- 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);
p = NULL;
}
合理的修改应该是对p进行判断：
#include - 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;
}
free(p);
p = NULL;
}
一共就开辟了10个整形大小的空间，而循环访问到了第11个元素，即使是动态开辟的内存，也不能越界，因此循环条件该为 i< 10即可。
- 对非动态开辟使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//ok?
p = NULL;
}
此时运行程序会崩溃，因为p所指向的空间是栈区上的，并不是动态开辟的，free所释放的空间一定是malloc、calloc和realloc所开辟的。
- 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
p = NULL;
}
当对指针p进行++操作后，p就改变了，不再指针这块空间的起始地址，因此最后释放p会导致程序崩溃。
- 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
p = NULL;
}
这也会导致程序崩溃，第一次释放已经把p所指向的空间还给操作系统了，但是p存放的还是刚才那块空间的起始地址，是个野指针，结果又释放一次，这下给编译器整不会了，我都帮你释放了呀，你咋还让我释放，那我就报错。所以要么释放一次p，要么释放一次把p置为空指针，然后再释放一次也不会有什么影响。
- 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
int flag = 0;
scanf("%d", &flag);
if (flag == 1)
{
return;
}
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
貌似逻辑没有什么问题，但是这段代码存在内存泄露的隐患，在test函数里，如果flag输入了一个1，那么函数调用直接结束,下面的释放和置空永远都没有机会执行，返回到主函数，test的栈空间销毁，那么p所指向的空间，程序就再也找不到了，那就意味着这块空间泄露了。
这里的泄露并不是说真实的物理内存不见了，而只是临时分配给程序的那部分空间不见了，程序关闭会自动回收。
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。
4. 几个经典的笔试题
请问以下题目中运行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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
首先调用Test函数，创建一个指针变量str并赋值为NULL，然后调用函数GetMemory，参数为str，那么形参也要创建也一个指针变量p来接收，p也是一个空指针，然后用malloc函数来开辟一块100个字节的空间，并把这块空间的起始地址交给p来维护，因为形参只能在本函数内部使用，出了函数形参p销毁，但是malloc开辟的空间并不会销毁。
该函数调用完毕后回到Test，因为是传值调用，并没有传str的地址，所以操作形参并不会改变实参，此时的str还是一个空指针，下面紧接着对空指针str进行字符串拷贝程序会崩溃，因为空指针没办法解引用操作，所以最后printf会打印空，至此程序结束，而GetMemory函数内部用malloc开辟的空间也找不到了，所以也就永远没办法进行释放，这就导致了内存泄漏。
简单来说上述代码有两个问题：1. 解引用空指针崩溃，存在内存泄漏。
修改：GetMemory取出str的地址传参，形参用二级指针接收，然后解引用一次找到str，用str来维护malloc开辟的空间，最后使用完毕释放str，置空。
-----------------分割线------------------
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
首先调用Test函数，创建指针变量str并赋值为NULL，然后然后调用GetMemory函数，该函数内部创建数组p，然后返回p也就是数组首元素地址，出了函数数组p的空间就销毁了，此时把这块空间的地址赋值给str时，str的所指向的空间的内容是未知的，因为销毁后空间还给了操作系统，所以里面的内容如果被其它数据使用覆盖了，那么内容是未知的，也有可能没覆盖。所以如果没有被覆盖，可以打印出hello world，否者打印乱码。
因此该程序的问题是返回了局部变量的地址，出了作用域销毁后返回了一个野指针。
-----------------分割线------------------
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;
}
这题和上面的第一题相似，只有一个问题就是使用完后没有free掉这块空间，这就导致函数调用完毕后再也无法找到str所指向的那块空间了，也就相当于内存泄漏。
修改：
free(str); str = NULL;
-----------------分割线------------------
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
当free掉这块空间后，此时str依然指向那块内存空间的起始地址，但也是一个野指针，str != NULL为真进入if语句后，对野指针指向的地址进行字符串拷贝，因为那块空间已经不属于我们了，会造成非法访问，所以程序会崩溃。
也是一个野指针问题。
修改：在free后要及时把该指针置空即可。
5. C/C++程序的内存开辟
其中内核空间的区域是用户程序不能读写的，这块空间是专门留给操作系统的。
数据段就是前面提到的静态区，里面存放全局变量和静态变量。
6. 柔性数组
也许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。
例如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
6.1 柔性数组的特点和使用
- 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 t_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}S;
int main()
{
S a;
printf("%d\n", sizeof(a));//输出的是4
//只计算柔性数组前成员变量的大小
//能否像上面那样定义变量呢？
//其实是不可以的
//这样定义就是4个字节，只能存i
//而数组a是没有空间的
//正确的方法是通过malloc函数来创建
//给数组a开辟40个字节
S* ptr = (S*)malloc(sizeof(S) + 40);
//这里sizeof计算的是变量i的大小
//+40则是给数组a开辟的
//这是ptr存放的就是所开辟空间的起始地址
if(ptr == NULL)
{
return 1;
}
//给成员赋值
ptr->i = 100;
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
ptr->a[i] = i;
}
//如果空间不够用还可以增容
S* ret = (S*)realloc(ptr, sizeof(S) + 80);
if(ret != NULL)
{
ptr = ret;
ret = NULL;
}
//....
free(ptr);
ptr = NULL;
}
6.2 柔性数组的优势
上述结构体成员也可以把柔性数组改为指针，修改一下以上代码：
typedef struct t_type
{
int i;
int* a;
}S;
int main()
{
S* ps = (S*)malloc(sizeof(S));
if (ps == NULL)
{
return 1;
}
ps->i = 10;
ps->a = (int*)malloc(40);
for (int i = 0; i < 10; ++i)
{
ps->a[i] = i;
}
//增容
int* ret = (int*)realloc(ps->a, 80);
if (ret == NULL)
{
return 1;
}
ps = ret;
ret = NULL;
free(ps->a);
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
一个是柔性数组成员，一个是指针这两种哪种方案比较好呢？
采用柔性数组的方法，两个成员变量一次malloc就搞定了，最后一次free就完事了。
第二种指针的方法需要两次malloc，两次free。
如果malloc的次数较多，那free的次数就要多，这个时候忘记free，就容易出现内存泄漏，指针的方法容易出错，其次malloc的次数越多，那形成内存碎片的可能性就越多，这些碎片越多使得内存的利用率就越低，而第一种情况就使得内存碎片的可能性降低了，并且有利于访问速度。
本篇完。