动态内存管理函数的使用与优化技巧（内存函数、柔性数组）

 

目录

前言

一、动态内存函数

为什么存在动态内存分配

动态内存函数介绍

malloc和free

calloc

realloc

常见的错误

经典笔试题目

二、C/C++程序的内存开辟

三、柔性数组

柔性数组的特点：

柔性数组的使用

柔性数组的优势

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前言

动态内存管理函数是C语言中非常重要的一部分，也是程序员必须掌握的技能之一。本文将介绍动态内存管理函数的基本原理和使用方法，帮助读者更好地理解和应用这些函数。

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一、动态内存函数

为什么存在动态内存分配

我们目前所了解的内存开辟方式有：

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

 但是上述的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存开辟了。

动态内存函数介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数，函数原型如下：

void* malloc (size_t size);

 这个函数向内存堆区申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

说起堆区，这里向大家简单科普一下计算及内存分部（不全）：

 

• 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函数申请的内存空间，当程序退出时才会还给操作系统。程序不退出，动态申请的空间不会还给操作系统。

 C语言提供了另外一个函数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。
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

 举个例子：

malloc和free全都包含在stdlib.h头文件中

#include
#include
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//40为字节数
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}
	free(p);
    p=NULL;//p指向的空间被释放后，要将p置为NULL
	return 0;
}

malloc函数的返回类型为void*，所以 malloc函数并不知道开辟空间的类型，这需要使用者根据数据类型自己决定。

那malloc又是如何为p开辟空间的呢？

它们的内存分布关系如下：

 这里我们注意p，p是局部变量存放在栈区，p中存放的是在堆区动态开辟的空间地址（连续的空间），通过p来访问开辟的空间。

此外malloc申请到空间后，直接返回这片空间的起始地址，不会初始换空间内容。

calloc

除此之外，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。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

 函数的功能是：

1. 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。
2. 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。

 举个例子：

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 通过调试我们也可以观察到：

 所以如何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。

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，那为了合理的使用内存，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：

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，同时也会释放掉旧空间。

 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，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

 情况2：原有空间之后没有足够大的空间，原有空间之后没有足够多的空间时，就会在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。

 

 举个例子：

int main()
{
	//开辟空间
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//初始化为1~10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	//扩容空间
	int* ptr =(int*) realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//输出
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 在扩容空间时需要注意realloc是否扩容成功，切勿直接将realloc返回值赋给p，这样可能会导致原先空间的数据丢失。

常见的错误

• 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;
free(p);
}

 使用p时并没有进行判断，如果p的值是NULL，就会有问题。

• 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)
{
return ;
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;
}
free(p);
}

 malloc开辟的空间用完，没有及时扩容，当i是10的时候越界访问。

• 对非动态开辟内存使用free释放

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

这种做法也是错误的，free函数只能释放动态内存函数开辟的空间。 

• 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
}

 这种做法也是错误的，释放空间时必须将开辟的空间完整释放。

• 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
}

 这种情况也是错误的，程序会出现报错，为了避免这样的问题，要养成良好的习惯，释放空间后，将p及时置为NULL。

• 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

 这里在test函数中进行动态内存开辟，但是出来test函数p就被销毁了，但在堆区开辟的空间并没有，这就导致无法找到开辟空间的具体位置进行释放，程序不结束，申请的空间就再也无法使用。

在实际场景中是非常恶心的，在大多数的程序中，服务器都是每天24小时运行，动态开辟内存忘记释放就会导致可用内存逐渐减小，最后到上限，程序崩溃。

注意：动态申请的内存不会因为出了作用域就自动销毁释放（内存还给操作系统），只有两种释放方式：

• free
• 程序结束（退出）

 经典笔试题目

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

 这段代码运行结果是什么？

程序会挂掉，原因是访问空指针。为什么呢？

GetMemory函数传过去的是str，而并非是&str，这就是传值调用，并不会对str有影响。所以strcpy复制时访问的就是空指针，程序就挂掉了。

这个程序存在两个问题：

• 对NULL指针进行解引用操作，程序崩溃
• 没有释放空间，内存泄露问题

题目2：

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

 程序运行结果是什么？

输出乱码，相当于是非法访问。GetMemory中创建一个数组p，返回数组的首元素地址，但是一旦出了GetMemory函数，存放hello world的空间就可能会被覆盖，所以输出结果会是乱码。

 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);
}

运行 test函数结果是什么？

输出是：hello，这段代码看起来似乎并没有什么错误，但仔细的观察我们就会发现，没有释放空间。

应该在打印之后将str释放，并置为NULL。

题目4：

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

 test函数运行结果是什么？

或许大多数人看到的第一反映是：free的太早了，但是我们如果把free放在输出之后，又会显得很突兀，为什么突然判断是否为空？str指向的空间虽然被释放了，但str并不为NULL，无论怎么判断，str都不为NULL，被释放后的str就变成了野指针，这样是很危险的。

所以这道题根本错误点在于：空间释放之后，并没有将str及时置为NULL。

 这些题目都出自于一本书——《高质量的C-C++编程》，在早些年线下笔试时，有不少的公司笔试时出的都是这几到中的原题。所以希望大家能够好好的理解，并掌握这部分知识。

二、C/C++程序的内存开辟

趁着动态内存函数来向大家讲解一下C程序中内存的开辟

 如上图，C/C++内存分配的几个区域：

• 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：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

 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。

三、柔性数组

或许大多数人从来没有听说过柔性数组这个概念，但是它确实是存在。 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。

注意：一个结构体中，只允许创建一个柔性数组

例如：

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

 或者：

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

 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。

 例如：

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

 这与指针也有所不同，在创建的结构中，包含指针变量时，sizeof计算会计算上，指针变量的大小，而柔性数组不会被计算大小。

柔性数组的使用

柔性数组如何体现它的柔性呢？

这就要配合malloc动态内存函数使用，例如：

struct S {
	int n;
	int arr[0];
};
int main()
{
	struct S* pc = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->n = 10;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		pc->arr[i] = 1 + i;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", pc->arr[i]);
	}
	free(pc);
	pc = NULL;
	return 0;
}

 malloc(sizeof(struct S) + 40);后边加的40就是开辟40个字节，也就是开辟10个整形空间给数组arr。可能有人会想，这有什么好讲的，变长数组不也可以吗？想开多打开多大。

对于柔性数组，当你觉得开辟的空间不够用时，还可以使用realloc去扩容。

例如：

struct S {
	int n;
	int arr[0];
};
int main()
{
	struct S* pc = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->n = 10;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		pc->arr[i] = 1 + i;
	}
	//空间不够扩容
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(pc, sizeof(struct S) + 60);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	pc = ptr;
	pc->n = 15;
	for (int i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", pc->arr[i]);
	}
	//释放
	free(pc);
	pc = NULL;
	return 0;
}

 运行结果：

 后五个没有进行初始化，所以是随机数。

柔性数组的优势

对于上述的柔性数组，我们还可以这样模仿实现：

struct S {
	int n;
	int* arr;
};
int main()
{
	struct S* pc = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (pc == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	pc->n = 10;
	pc->arr = (int*)malloc(40);
	if (pc->arr == NULL)
	{
		perror("pc->arr");
		return 1;
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		pc->arr[i] = 1 + i;
	}
	//空间不够扩容
	int* ptr = (int*)realloc(pc->arr, 60);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	pc->arr= ptr;
	pc->n = 15;
	for (int i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", pc->arr[i]);
	}
	//释放
	free(pc->arr);
	pc->arr = NULL;
	free(pc);
	pc = NULL;
	return 0;
}

 上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现比较好，有两个好处：

• 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。

 

• 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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总结

动态内存管理函数是C语言中非常重要的一部分，掌握它们对于程序员来说至关重要。希望本文能够对读者有所启发和帮助