【C语言】动态内存管理

目录

前言：

一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数的介绍

（一）malloc和free

（二）calloc

（三）realloc

三、常见的动态内存错误

（一）对NULL指针的解引用操作

（二）对动态开辟空间的越界访问

（三）对非动态开辟内存使用free释放

（四）使用free释放一块动态开辟内存的一部分

（五）对同一块动态内存多次释放

（六）动态开辟内存忘记释放（内存泄露）

四、经典笔试题详解

题目1：

题目2：

题目3：

题目4：

五、C/C++程序的内存开辟

六、柔性数组

（一）柔性数组的概念

（二）柔性数组的特点

（三）柔性数组的使用

（四）柔性数组的优势

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前言：

本篇主要围绕动态内存的开辟方法，容易出现的错误比如内存泄露、未检查动态内存函数返回值、free后指针未置空造成野指针，C/C++程序内存区域划分以及柔性数组进行讲解，本篇文章干货满满，感兴趣的读者可以三连加关注

一、为什么存在动态内存分配

我们之前掌握的内存开辟方法有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 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。 这时候引入动态内存开辟方法。

二、动态内存函数的介绍

动态内存函数的头文件为stdlib.h。

（一）malloc和free

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。
• malloc并不会初始化这块空间的内容，calloc能初始化。

返回值检查的方式：

int main()
{
	int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");//见博主主页字符串（一）
		return 0;
	}
	return 0;
}

---

free是专门用来做动态内存的释放和回收的。

动态申请的内存空间，当程序不退出时，动态申请的内存不会主动释放，需要free释放。

void free(void* ptr);

注：free函数是用来释放动态开辟的内存的。 

• 如果参数ptr指向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。

我们来看一看malloc和free的用法：

#include 

int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	//代码2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//检查malloc的返回值
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(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;
}

我看来看一看代码中提出的问题，是否要将释放后的指针置空，其实这非常重要，因为free后，ptr指向的动态内存就被归还给操作系统了，此时ptr就是一个野指针。

养成好习惯，free后置空。 

（二）calloc

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，realloc也不初始化。

（三）realloc

realloc是最应该学习的动态内存开辟函数。

• 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。

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

• ptr是要调整的内存地址，如果ptr为空指针，则会开辟size大小的空间，此时与malloc功能相同。
• size为调整之后总的新大小。
• 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在调整内存空间时会出现两种情况：

1. 当原有空间之后有足够大的空间时：直接在原有内存之后追加空间，原来空间的数据不发生变化。
2. 当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，这个另外开辟的空间大小为扩容后整个空间的大小，将原来的数据拷贝到新空间，并释放旧空间，返回新空间的起始地址。

我们来看一看realloc是如何使用的，并且文章前言提到的内存泄露是什么：

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr != NULL)//检查malloc返回值
    {
        //业务处理
    }
    else
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //扩展容量
    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)

    //代码2
    int* p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if (p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }
    //业务处理
    free(ptr);
    ptr = NULL;  //free后置空，养成好习惯
    p = NULL;
    return 0;
}

我们来分析一下这段代码。

首先代码1就会造成内存泄露：

如果申请失败，realloc返回NULL，此时ptr也被赋为空指针，这样一来不仅扩容失败，原来的动态内存空间也找不到了，注意这块找不到的内存空间还未释放，这种情况就叫做内存泄露，即该块动态内存用不上也找不到。

正确方式应为代码2，申请成功的情况下才将p赋给ptr，这样处理可以有效防止内存泄露。

三、常见的动态内存错误

（一）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（返回值未检查）
	free(p);
}

（二）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;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

（三）对非动态开辟内存使用free释放

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

（四）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
}

（五）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
}

（六）动态开辟内存忘记释放（内存泄露）

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

上面代码中p是局部变量，在该代码中作用域为函数内部，出函数就销毁了，但是malloc开辟的动态内存并未销毁。

动态申请的内存空间只有两种方式销毁：1.free、2.程序结束(退出)

四、经典笔试题详解

题目1：

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

 答案：程序错误

分析：就算动态内存开辟成功，str始终为空指针，strcpy函数内部会对空指针进行解引用操作（*dest=*src），造成程序错误，另外就是会造成内存泄露。如果想要对此函数进行改进，应将参数部分改为&arr，比如：

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

---

题目2：

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

 答案：程序错误

 分析：hello world为局部变量，出函数销毁，那么p返回的是野指针，造成非法访问，这种问题属于返回栈空间地址（局部变量）的问题。可以改进为：

char* GetMemory(void)
{
	static char p[] = "hello world";//存储到静态区，出函数不销毁
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

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题目3：

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

 答案：程序错误

分析：未释放动态内存空间。 最后需要free(str)；str=NULL。

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题目4：

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

答案：程序错误

分析：非法访问内存，str已被指向的动态内存已被释放，所以要养成释放后置空的习惯。比如：

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

五、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。 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在《C语言初识》中讲的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。

六、柔性数组

（一）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。

比如：

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

或者可以改成：

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

（二）柔性数组的特点

• 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，并且分配的内存应该大于结构的大 小，以适应柔性数组的预期大小。

比如：

//code1
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4

（三）柔性数组的使用

//代码1
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->a[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。 

（四）柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为非柔性数组的方式，让我们看看他们的区别：

//代码2
typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;
}type_a;
type_a* p = (type_a*)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);//先于p之前释放，否则就找不到p_a了
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。

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