C语言进阶--动态内存管理
目录
一.为什么使用动态内存分配？
二.动态内存函数
2.1.malloc和free
malloc函数
free函数
2.2.calloc和realloc
calloc函数
realloc函数
三.常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用
对动态开辟空间的越界访问
对非动态开辟内存使用free释放
使用free释放一块动态开辟内存的一部分
对同一块动态内存多次释放
动态开辟内存忘记释放
内存泄漏
四.经典笔试题
题一：
题二：
题三：
题四：
五.C/C++程序的内存开辟
六.柔性数组
6.1.柔性数组的特点
6.2.柔性数组的使用
6.3.柔性数组的优势
6.4.柔性数组的优势
一.为什么使用动态内存分配？
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个字节的连续空间上述开辟空间的方式有两个特点：
- 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.动态内存函数
2.1.malloc和free
C语言库函数提供了两个函数：malloc和free，分别用于执行动态内存分配和释放。这些函数维护一个可用内存池。当一个程序另外需要一些内存时，它就调用malloc函数，malloc从内存池中提取一块合适的内存，并向该函数返回一个指向这块内存的指针。这块内存此时并没有以任何方式进行初始化。如果对这块内存进行初始化非常重要，你要么自己动手对它进行初始化，要么使用calloc函数。当一块以前分配的内存不再使用时，程序调用free函数把它归还给内存池供以后之需。
malloc函数
函数原型：void* malloc(size_t size);
头文件：#include
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决定；
- 如果参数size为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。
free函数
函数原型：void free(void* ptr);
头文件：#include
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。
free函数的实际参数必须是先前由内存分配函数返回的指针。(参数也可以是空指针，此时free调用不起作用。)如果参数是指向其他对象(比如变量或数组元素)的空指针，可能会导致未定义的行为。虽然free函数允许收回不再需要的内存，但是使用此函数会导致一个新的问题：悬空指针。 调用free(p)函数会释放p指向的内存块，但是不会改变p本身。如果忘记了p不再指向有效内存块，混乱可能随即而来。试图访问或修改释放掉的内存块会导致未定义的行为。试图修改释放掉的内存块可能会引起程序崩溃等损失惨重的后果。
在C语言中，指针测试真假的方法和数的测试一样。所有非空指针都为真，而只有空指针为假。因此，语句if (p == NULL)可以写成if(!p)，if (p != NULL)可以写成if(p)。
案例一：
int main()
{
//申请空间
int* ptr = (int*)malloc(40);
if (ptr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = i;//ptr的指向并没有发生变化
}
//释放空间
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}分析：
在调用完free函数之后，如果不加上ptr==NULL，虽然free(ptr)函数会释放ptr指向的内存块，但是不会改变ptr本身。这就将导致一个新问题：悬空指针。
为了避免这个问题的发生，我们可以在free(ptr)之后将其置为NULL即可。
不加ptr==NULL释放前：
不加ptr==NULL释放后：
加ptr==NULL释放后：
案例二：
int main()
{
//申请空间
int* ptr = (int*)malloc(40);
int* p = ptr;
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;//p的指向发生变化
}
//释放空间
free(ptr);
ptr = NULL;
if (ptr != NULL)
{
*ptr = 100;
}
return 0;
}案例三：失败案例
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(40);
int* p = ptr;
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
}分析：
free函数的实际参数必须是先前由内存分配函数返回的指针ptr。如果参数是指向其他对象(比如变量或数组元素)的空指针，可能会导致未定义的行为。
总结：
- 当我们不释放动态申请的内存时；
- 如果程序结束，动态申请的内存由操作系统自动回收；
- 如果程序不结束，动态内存是不会自动回收的，就会形成内存泄漏的问题。
2.2.calloc和realloc
calloc函数
函数原型：void* calloc(size_t num, size_t size);
头文件：#include
calloc函数为num个元素的数组分配内存空间，其中每个元素的长度都是size个字节。如果要求的空间无效，那么此函数返回空指针。在分配了内存之后，calloc函数会通过把所有位设置为0的方式进行初始化。
malloc和calloc之间的主要区别是后者在返回指向内存的指针之前把它初始化为0。calloc和malloc之间另一个较小的区别是它们请求内存数量的方式不同。calloc的参数包括所需元素的数量和每个元素的字节数。
案例：
int main()
{
//malloc申请的空间不会被初始化为0
//int* p = (int*)malloc(40);
//申请10个整型的空间
//calloc申请的空间会被初始化为0
int* p = calloc(10, sizeof(int));//10为元素的个数，sizeof(int)为元素的大小
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ",*(p+i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}调试分析：
realloc函数
函数原型：void* realloc(void* ptr, size_t size);
头文件：#include
当调用realloc函数时，ptr必须指向先前通过malloc，calloc或realloc的调用获得的内存块。size表示内存块的新尺寸，新尺寸可能会大于或小于原有尺寸。
realloc函数用于修改一个原先已经分配的内存块的大小。使用这个函数，你可以使一块内存扩大或缩小。如果它用于扩大一个内存块，那么这块内存原来的的内容依然保留，新增的内容添加到原先内存块的后面，新内存并未以任何方法进行初始化。如果它用于缩小一个内存块，该内存块尾部的部分内存便被拿掉，剩余部分内存的原先内容依然保留。
如果原先的内存块无法改变大小，realloc将分配另一块正确的大小，并把原来那块内存的内容复制到新的块上。因此，在使用realloc之后，你就不能再使用指向旧内存的指针，而是应该改用realloc所返回的新指针。
最后，如果realloc函数的第1个参数是NULL，那么它的行为就和malloc一模一样。如果realloc函数被调用时以0作为第二个实际参数，那么它会释放掉内存块。
案例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//空间不够，希望能放20个元素，考虑扩容
int* ptr = realloc(p, 80);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
//扩容成功，开始使用
for (i = 10; i < 20; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//不再使用，释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}调试分析：
1.首先malloc分配40位的空间，也就是10个int型大小：
2.然后进行扩容，该扩容是在原空间的基础上进行的：
3.扩容成功后，则开始使用该空间：
4.使用完之后，则开始释放空间：
小结：
如何接收realloc的返回值？如果用旧地址去接收，那么当realloc找不到合适的空间进行内存分配时，这时realloc的返回值将变成NULL。此时不仅空间没有开辟好，原有空间的内容也可能丢失。那么我们应该打印错误信息然后结束程序，不要再往下执行。所以建议先用新地址接收，如果开辟成功再把它赋值给旧地址，这样就可以避免原有内存块数据的丢失。
三.常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用
案例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
int i = 0;
for (i = 0; i < 250; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
}分析：
malloc的返回值可能为NULL，此时将NULL赋值给指针p，则p的值也为NULL。然而后面又对p进行解引用，也就是对指针NULL进行解引用，此时的编译器将会发生警告。
解决办法：对malloc函数的返回值进行判断
改正：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
//对p进行判空操作
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 250; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p=NULL;
return 0;
}对动态开辟空间的越界访问
案例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
//可能越界访问
for (i = 0; i <= 250; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}分析：
i <= 250这个条件判断错误，数组产生越界，i的值应该小于250。
解决办法：对内存边界要检查
改正：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
//可能越界访问
for (i = 0; i < 250; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}对非动态开辟内存使用free释放
案例：
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}分析：
free只能释放由malloc，calloc和realloc所开辟的内存空间，这些空间都是在堆区上进行开辟的。而变量a是在栈区开辟的，因此并不能让free来释放。
使用free释放一块动态开辟内存的一部分
案例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}分析：
随着p++的执行，指针p的位置已经发生了变化，不再指向所开辟内存空间的起始位置，而是指向中间的某个位置。而free又是从所开辟内存空间的起始位置开始释放的，所以free(p)用在这里显然是不合适的。
对同一块动态内存多次释放
案例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
free(p);
//...
free(p);
return 0;
}分析：
第一次free(p)时，此时所开辟的内存空间将会被释放，但是不会改变p本身，它还保存着之前所开辟内存空间的起始地址。所以我们要及时将p置为NULL，才能避免多次释放所带来的问题。
改正：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
free(p);
p = NULL;
//...
free(p);//当参数为NULL时，此时free调用不起作用
return 0;
}动态开辟内存忘记释放
案例：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while (1)
{
;
}
return 0;
}分析：
p是一个局部变量，本来存放的是malloc所开辟内存空间的起始地址，但是当test函数调用完之后，变量p将会被释放。所以后面就没人再记得之前所开辟内存的起始地址，这将会导致内存泄漏。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。
改正：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
while (1)
{
;
}
return 0;
}内存泄漏
当动态分配的内存不再需要使用时，它应该被释放，这样它以后可以被重新分配使用。分配内存但在使用完毕后不释放将引起内存泄漏。在那些所有执行程序共享一个通用内存池的操作系统中，内存泄漏将一点点地榨干可用内存，最终使其一无所有。要摆脱这个困境，只能重启系统。
四.经典笔试题
题一：
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world\n");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
- GetMemory(str)：属于值传递，实参str传给形参p，形参p其实是实参的一份临时拷贝，所以对形参p的修改并不会影响到实参str，形参p调用完之后会自动销毁，所以str的值仍为NULL；
- p = (char*)malloc(100)：会造成内存泄漏，因为malloc之后没有free。malloc分配的内存空间的地址存放在形参p中，所以当形参p销毁之后，也就没人知道malloc所分配的内存空间的起始地址，因而也就无法释放，最终会造成内存泄漏。
改正：
方案一：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test()
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}方案二：
char* GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main02()
{
Test();
return 0;
}
题二：
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}运行结果：
分析：
- char p[] = "hello world"：p是数组名，是一个临时变量，表示的是数组首元素的地址。而局部变量是在栈区开辟，函数调用完之后就会自动销毁，此时变量p将返回这个字符串的起始地址，但是该起始地址所指向的字符串的内容已销毁；
- str = GetMemory()：此时将变量p赋值给变量str，而变量p已经变成野指针，它所指向的空间并不存放字符串"hello world"，因此会造成非法访问内存；
- 返回栈空间地址的问题：栈空间的地址不要随意返回，会产生野指针。
改正：
char* GetMemory(void)
{
char* p = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}分析：
在调用GetMemory()函数时，由malloc函数开辟的内存空间在使用完后并没有及时地使用free进行释放，因而造成了内存泄漏。
改正：
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str,100);
strcpy(str,"hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}题四：
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;
}分析：
在使用free释放由malloc所开辟的空间，虽然所开辟的空间已被释放，但是str依旧保存着所开辟空间的起始地址，这将导致指针悬空。如果忘记str不再指向有效内存块，此时刻试图访问或修改释放掉的内存块会导致未定义的行为。试图修改释放掉的内存块可能会引起程序崩溃等损失惨重的后果。
改正：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str,"hello");
free(str);
//指针置为空
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
规定：
- 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；
- 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；
- 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；
- 代码段：存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。
六.柔性数组
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，但结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
例如：
struct S
{
int num;
double d;
int arr[0];//柔性数组成员
};有些编译器会报错无法编译，可以改成：
struct S
{
int num;
double d;
int arr[];//柔性数组成员
};6.1.柔性数组的特点
1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员；
2.sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存；
struct S3
{
int num;
int arr[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct S3));//4
return 0;
}3.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。
6.2.柔性数组的使用
柔性数组可以结合malloc进行使用，用以动态开辟内存空间；同时也可以结合realloc进行使用，用以内存空间的扩容。
案例：
struct S3
{
int num;
int arr[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct S3));//4
//开辟空间
struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3) + 40);//40用于柔性数组成员
//判空
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用
ps->num = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ",ps->arr[i]);
}
//扩容
struct S3* ptr = (struct S3*)realloc(ps, sizeof(struct S3) + 80);
//判空
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
else
{
ps = ptr;
}
//使用
for (i = 10; i < 20; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//继续打印
for (i = 10; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}6.3.柔性数组的优势
前面我们讲到可以使用柔性数组来动态开辟内存空间，这里我们将其改写成使用动态数组来开辟内存空间。示例如下：
struct S4
{
int num;
int* arr;
};
int main()
{
//开辟空间
struct S4* ps = (struct S4*)malloc(sizeof(struct S4));
//判空
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//为动态数组开辟空间
ps->arr = (int*)malloc(40);
//判空
if (ps->arr == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用
ps->num = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//扩容
int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
//判空
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
else
{
ps->arr = ptr;
}
//使用
for (i = 10; i < 20; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//继续打印
for (i = 10; i < 20; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}可以发现，改用动态数组的方式同样可以达到与使用柔性数组一样的效果。那二者有何差异呢？
通过对比可以发现：
- 当使用柔性数组来开辟和释放内存空间时，需要一次
malloc和一次free； - 当使用动态数组来开辟和释放内存空间时，需要两次
malloc和两次free； - 当使用柔性数组时，结构体所开辟的内存空间是连续的；当使用动态数组时，结构体所开辟的内存空间不一定是连续的；
- 当重复多次使用malloc函数，会在内存空间产生较多的内存碎片，进而导致内存的利用率降低。
6.4.柔性数组的优势
一.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。
二.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，也没多高，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址。)