C语言进阶（七）——动态内存管理

动态内存管理

前言

当前我们知道我们使用内存的方式

1.创建一个变量

int a=0;

全局变量——在静态区开辟内存

局部变量——在 栈区开辟内存

2.创建一个数组

一个数组是一块连续的内存空间

int arr[10]=0;

创建全局数组——在静态区开辟内存

创建局部数组——在栈区开辟内存

3.函数的形参和实参

还有一些其他的数据占用着内存空间，具体的内存使用情况如下：

一、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 val =20;         //在栈空间上开辟4个字节
char arr[10]={0};   //在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述开辟空间的方式有两个特点：

举一个具体的例子：

char arr[20]={0};

  这里给了我们一个能够存放20个字节的连续内存空间，那么如果我们有10个char 类型的数据要储存，那么就要浪费剩余的内存空间，如果我们有30个 char 类型的数据要存储，那么arr数组的空间又不够我们存放数据。

  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，那么数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。这个时候，我们只能试试动态内存开辟。

二、动态内存函数的介绍

1.malloc函数的介绍

c语言提供了一个动态内存开辟的函数：

函数的功能： 开辟一个内存块

函数的参数： 开辟空间的字节大小

函数的返回类型： void * 空指针类型

函数的具体要求：

2.free函数的介绍

c语言还提供了另外一个函数free，专门用来做动态内存的释放和回收，函数原型如下。

函数的具体要求：

当动态申请的空间不再使用的时候，就应该还给操作系统。

所以我们要将malloc申请的空间进行释放

free(p);
p=NULL;

  因为p被释放掉了，所以p指向的空间没有了意义，但是那块空间的内容还在，所以p还是有能力找到这块空间，为了避免这块空间被错误的使用，我们将p=NULL，赋成空指针，这样就p指针就真正的断开了与这块空间的联系。

3.malloc函数和free的配合使用

注意：malloc 和 free函数都要引用 的头文件

#include 
#include 

int main()
{
	// int arr[10] = { 0 };
	int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//开辟一个10个int类型数据的连续空间
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d  ", p[i]);
		}
	}
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

4.calloc函数的介绍

C语言还提供了一个函数叫 calloc ，calloc 函数也用来动态内存开辟。原型如下：

函数功能： 开辟一个内存中连续的空间并将空间里的每个字节初始化为0

函数参数 第一个参数：元素的个数 第二个参数 ：每个元素的字节大小

函数的返回类型： void * 空指针类型

函数的具体要求：

5.calloc函数的使用

#include 
#include 

int main()
{
	//int arr[10] = { 0 };
	int *p = (int*)calloc(10, 4);//开辟一个40个字节大小的连续空间
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d  ", p[i]);
		}
	}
	free(p);
	p=NULL;
	return 0;
}

执行代码结果如下：

内存显示初始化结果：

所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用 calloc 函数来完成任务。

6.realloc 函数的介绍

函数功能： 重新分配内存空间，调整之前开辟动态内存空间的大小

函数参数： 第一个参数 是之前开辟内存块的地址 ，第二个参数 是调整后空间的字节大小。

函数返回类型： void * 空指针类型

函数具体功能：

注意事项：

realloc 函数的在调整内存空间的时候存在两种情况：

情况一：原有空间之后没有足够大的空间

  我们想要在原来的内存位置改变内存大小，但是原内存块的后面并没有足够大的空间，那我们扩展的方法就是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用,并且把原来内存中的数据拷贝过来，这样函数返回的是一个新的内存地址。注意在另找一个新空间的同时，原有开辟的内存直接被释放，我们不需要考虑内存泄漏的问题。

情况二：原有空间之后有足够大的空间

  当我们想要调整原有内存空间时，要扩展内存就直接在原有内存后直接追加空间，原来的空间的数据不发生变化。最后返回的也是原有的地址。

7.realloc函数的使用

举一个例子：

#include 
#include 

int main()
{
	int * p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));

	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟空间失败\n");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i<10; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
		for (i = 0; i<10; i++)
		{
			printf("%d ", p[i]);
		}
	}

	  这里在堆区开辟了一个40字节的空间

	  假如内存空间不够用，我们想调整的更大一些,调整成80个字节的空间大小

	int* p2 = (int *)realloc(p,20*sizeof(int));

	if (p2 == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}

	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 10; i < 20; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
		for (i = 10; i < 20; i++)
		{
			printf("%d ", p[i]);
		}

	}

	free(p2);
	p2 = NULL;

	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
	*p = 0;
	int i = 0;
	for (i = 0; i<10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

对这里的代码提出一个问题，如果p=NULL，代码会正常运行吗？

如果p=NULL，那么解引用操作就是非法操作，编辑器会报发错误。

2.对动态开辟的内存进行越界访问

#include 
#include 

int main()
{
	int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("开辟内存空间失败\n");
	}
	else
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i<20; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
		for (i = 0; i<20; i++)
		{
			printf("%d ", p[i]);
		}
	}
	return 0;
}

  我们在堆区开辟了10个int 类型大小的空间，但是我们从内存的起始位置开始，访问了20个int 类型的数据，超出了我们开辟的这块内存的空间，这就属于越界访问，非法操作，系统会进行报错。

3.对非动态开辟的内存free

#include 
#include 

int main()
{
    int a=10;
    int *p=&a;
    free(p);
    p=NULL;
    return 0;
}

代码运行结果：

这里我们就要强调，free函数只能对我们开辟的动态内存进行释放操作！！

4.使用free释放动态内存的一部分

#include 
#include 
int main()
{
	int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存开辟失败\n");
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p++;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里我们要注意：

我们给*p++的同时指向这一内存的指针一直在变化

  我们最后free（p）时p指向的不是内存的初始位置，所以我们开辟的这块空间并不能完全释放，会造成内存泄漏。

5.对同一块动态内存多次释放

#include 

int main()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	free(p);
	free(p);   //重复释放
	p=NULL;
	return 0;
}

注意：同一块内存空间只能释放一次

6.动态开辟内存忘记释放

#include 

int main()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
	while (1);
	return 0;
}

注意：忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

四、动态内存经典笔试题

1.练习一

#include 
#include 

void GetMemory(char *p)
{
	p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemmory(str);
	strcpy(str, "helloworld");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

请问Test函数运行之后有什么结果？

这个代码中出现的问题：

  最后造成的结果是GetMemory 返回之后的 str 仍然是 NULL，将 “hello world ”放入空指针指向的空间，最后程序必然会崩溃。

如何改正代码：

#include 

void GetMemory(char **p)
{
	*p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

显示效果：

2.练习二

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

void Test(void) 
{
   char *str = NULL;
   str = GetMemory();
   printf(str);
}
int main()
{
   Test();
   return 0;
}

请问Test函数运行之后有什么结果？

这个代码中出现的问题： 非法访问内存！

这是一道经典的返回栈地址的问题

  GetMemory（）函数内部创建 p 数组，并返回p的地址，在函数内部返回栈空间的地址是有问题的，局部变量出了函数之后自动销毁，p内存的使用情况我们就不清楚了，所以之后在打印str的值时，打印的结果就成为了随机值。

3.练习三

#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;
}

请问Test函数运行之后有什么结果？

代码存在问题：

忘记释放动态开辟的内存，导致内存泄漏了

改正代码：

#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);
   free(p);
   p=NULL;
}
int main()
{
   Test();
   return 0;
}

4.练习四

#include 
#include 

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;
}

请问Test函数运行之后有什么结果？

该代码存在的问题：

  free（str）后，我们将动态开辟的内存已经释放掉，还给操作系统了，我们无法进行操作了，但是p并未置为NULL，所以str还记得指向的动态内存的地址，这块内存已经不属于我们了，我们还要将“world”拷贝进入这块内存，这就属于——非法访问内存。

那么我们如何进行更正呢？

#include 
#include 

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

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

五、C/C++程序的内存开辟

  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的，所以生命周期变长。

六、柔性数组

  也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是他确实是存在的。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]的成员。

例如：

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

有时编译器会报错无法编译可以改成：

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

1.柔性数组的特点

例如：

//代码1

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

2.柔性数组的使用

#include 
#include 


//代码1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
	int i = 0;
	type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a)+100 * sizeof(int));

	p ->i=100;
	for (i = 0; i<100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这样的柔性数组成员a，相当于获得了一个100个整形元素的连续空间。

3.柔性数组的优势

上述的type_a 结构也可以设计为：

//代码2
typedef struct st_type
{
   int i;
   int *p_a; 
}type_a;
   type_a *p = 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：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。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址。

好了，关于动态内存管理的知识到这里就结束了，希望大家能够多多练习…

谢谢欣赏！！！！

完