【C语言进阶】动态内存管理

真正的人生，只有在经过艰难卓绝的斗争之后才能实现。                             ——塞涅卡

 

目录

一.为什么存在动态内存分配？

二.动态内存管理的函数

1.malloc函数

2.free函数

​3.calloc函数 

4.realloc函数 

三.常见的动态内存错误 

1.对NULL指针的解引用

2.对动态开辟空间的越界访问

3.对非动态开辟内存使用free释放 

5.对同一块动态内存多次释放

6.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

四.经典的几个面试题 

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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哥字节
int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续的空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点:
1.空间开辟大小是固定的。
2.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。

 

二.动态内存管理的函数

1.malloc函数

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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指针。

●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。

我们用代码来理解：

#include//malloc函数需要的头文件
#include//strerror函数需要的头文件
#include//errno需要的头文件
int main()
{
	//申请
	int* p = (int*)malloc(20);//向内存申请20个字节
	if (p == NULL)//这里必须要判断，可能会开辟失败
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
		return;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里使用malloc函数申请很多空间时，可能会开辟内存空间错误。

int main()
{
	//申请
	int* p = (int*)malloc(200000000000);
	if (p == NULL)//这里必须要判断，可能会开辟失败
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
		return;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

所以这里我们必须if语句判断一下，不然在我们使用p这块空间的时候，就会出错。

2.free函数

C语言提供了另外一个函数free, 专门是角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。

举个例子:

int main()
{
	
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);//这里必须返回空间给操作系统
	p = NULL;//且这里要给开辟的空间赋为NULL
	return 0;
}

3.calloc函数 

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。函数原型如下:

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。
 

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//开辟10个大小为int的空间
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里即使你没有赋值，malloc内部也会自动初始化为0。 

calloc和malloc的对比：

1.参数不一样，calloc时两个参数，而malloc是一个参数

2.都是在堆区上面申请内存空间，但是malloc函数不初始化，calloc函数会初始化为0。

两个函数都是开辟空间，都可以使用。随便你使用哪个。

4.realloc函数 

●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。
realloc内部使用规则：

如果是这样：

1.realloc会找到更大的空间。

2.将原来的数据拷贝到新的空间。

3.释放新的空间。

4.返回新空间的地址。 

realloc的使用：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	int* ptr = realloc(p, 40);
	if (ptr != NULL)      
	{
		p = ptr;
		for (i = 5; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}

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

 

三.常见的动态内存错误 

1.对NULL指针的解引用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 

这里malloc函数的返回值可能是NULL，这里就会对NULL指针进行解引用，这就会导致错误。

所以我们必须对malloc函数的返回值进行判断。

2.对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		//上面只开辟了20个字节，但是这里要访问40个字节，就会越界访问
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放 

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = arr;
	free(p);//这里的p是静态的，不能进行free
	p = NULL;
	return 0;
}

5.对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	free(p);//这里连续free了两次，会出错
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

如果是free了一次，把空间置为NULL之后，再次free，这是没有问题的。我们应当避免连续两次free同一块空间。

这种情况就是可行的：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	free(p);//这样就是可行的
	p = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

6.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//这里没有对内存进行free，就会造成内存泄漏
	return 0;
}

内存函数所申请的空间，如果不想使用，需要free给释放掉。如果没有释放掉，程序结束后，操作系统也会回收空间。

怕的就是程序还没有结束，也没有free给释放空间，这样就会造成内存泄露。

四.经典的几个面试题 

第一题：目的是把hello world拷贝到str中去。 

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;
}

这个代码有很多个错误：

1. 调用GetMemory函数的时候，str的传参为值传递，p是str的临时拷贝，所以在GetMemory函数内部讲动态开辟空间的地址存放在p中的时候，不会影响str。所以GetMemory函数返回之后，str中依然是NULL指针。strcpy函数就会调用失败，原因是对NULL的解引用操作,程序会崩溃。

2. GetMemory函数内容malloc申请的空间没有机会释放,造成了内存泄漏。

改进：

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);//使用传址调用
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);//释放掉空间
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

第二题：

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

返回栈空间地址的问题：
GetMemory函数内部创建的数组是临时的，虽然返回了数组的起始地址给了str,但是数组的内存出了。GetMemory函数就被回收了，而str依然保存了数组的起始地址，这时如果使用str, str就是野指针。

改进：

char* GetMemory()
{
	char *p = "hello world";//p是放在静态区的，只有整个程序退出时，才会销毁
	return p;
}
void Test()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}