高阶C语言|动态内存管理--笔试题

一、为什么存在动态内存分配

我们已经知道的内存开辟方式例如有：

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

但是上述开辟的空间的方式有两个特点：
1.空间开辟大小是固定的
2.数组在声明的时候，必须指定数组的长度他所需要的内存在编译室分配。
我们需要的内存空间大小往往在程序运行的时候才知道，以上的开辟方式就不一定能够满足我们的空间需求，这时候就需要动态内存开辟的方式。

二、动态内存函数的介绍

2.1malloc和free

这个函数项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。
• 若果参数size为0，malloc的行为是未定义的，取决于编译器。

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：

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。

#include 
#include 
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));//开辟num * sizeof(int)个字节大小的空间
	//由于malloc返回的是void*类型，而ptr是int*类型，所以需要将malloc强制转换成int*类型。
	if (NULL != ptr)
	{
		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;//释放空间后需要手动置为空指针
	return 0;
}

2.2calloc

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：

• 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0.

#include 
#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		;
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//释放空间后需要手动置为空指针
	return 0;
}

调试结果：
通过调试可以看出，使用calloc函数分配空间，将10大小为4个字节的元素全都初始化为0，所以我们对要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。

2.3realloc

realloc函数能够让动态内存管理更加灵活，可以做到对动态开辟内存大小的调整

函数原型如下：

• ptr是要调整的内存地址
• size调整之后的大小
• 返回值为调整之后的内存起始位置（旧空间起始位置）
• 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在调整内存空间时存在两种情况：
  – 情况1：原有空间之后有足够大的空间
  – 情况2：原有空间之后没有足够大空间

情况1： 要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化，返回原来的起始位置
情况2：
原有空间之后没有足够多的空间，在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。返回新的内存地址。

注意：当ptr接收的是NULL，那么realloc的功能就跟malloc一样了

例子：

#include 
#include //perror的头文件
#include 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (NULL != ptr)
	{
		
	}
	else
	{
		perror("ptr");
	}
	//扩展容量
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);

	int* p = NULL;
	//p = realloc(ptr, 1000);
	p = realloc(ptr, 10000)
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	else
	{
		perror("p");
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//释放空间是指这个内存回收给操作系统了，然后ptr并没有指向这个空间了，此时的ptr是一个野指针，需要手动置为空指针
	return 0;
}

调试结果：


对比两个结果：
当开辟的空间足够时，p返回的地址是原来的ptr的地址，ptr与p的地址相等，当开辟的空间不够使，则返回开辟空间的新地址，ptr与p返回的新地址不再相等。

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	*p = 20;//未判断是否成功开辟空间，如果返回的是空指针，就会有问题
	free(p);//p释放后未置位NULL
}
//修改后：
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("p");
		return;
	}
	*p = 20;
	free(p);
	p = NULL;
}

3.2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 (p == NULL)
	{
		perror("p");
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = 0;//p越界访问，开辟的只有10个大小为4字节的空间，最多只能访问10个元素，i=10是第11个元素了
	}
	free(p);//p释放后未置位NULL
}
//修改后
void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("p");
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 0;
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//对非动态开辟内存使用free释放这个行为是未定义的
	//只有动态开辟的内存才能用free释放，且动态开辟内存返回的指针不能指向非动态内存
	//即如果p是动态开辟的空间，那么他不能指向非动态变量a，所以在使用free的前提，一定是动态开辟的内存
}

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

3.5对同一块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	free(p);//p的空间释放完了，p是一个野指针，需要手动置为NULL
	//如果再继续释放p的空间，而p并没有所指向的空间，此时就会报错，所以只需要释放一次就够了
	free(p);
}
//修改后
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if(p == NULL)
	{
	  perror("p");
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include 
#include 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;//p所指向的空间未释放
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);//死循环下去，程序也没结束，P所指向的空间就会一直不释放，从而造成内存泄漏
	return 0;
}

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁（还给操作系统）！
动态申请的内存空间只有2种销毁方式：

• 通过free释放
• 程序结束，申请空间会会还给操作系统

四、经典笔试题

4.1题目1

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？
答：程序报错，GetMemory函数结束时，p所开辟的空间会还给操作系统，str仍是一个NULL，"hello world"也不能拷贝到str中去，屏幕上不会输出hello world

4.2题目2

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？
答：程序报错，p是一个局部数组，GetMemory函数返回时，p的生命周期就结束了，且内容就会销毁还给操作系统，此时返回p的地址由str接收，str指向的是一个未定义的空间

4.3题目3

#include 
#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;
}

请问运行Test函数会有什么样的结果？
答：程序能够正常运行，但存在潜在的问题，未判断*p是否成功开辟，以及str是否成功接收成功开辟的空间，以及str的空间未释放

4.4题目4

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

请问Test函数会有什么样的结果？
答：程序能够运行输出world，str释放空间后，并未置为NULL，导致str成为一个野指针，但不是空指针，str随机指向一个空间，将world内容拷贝到str随机指向的空间中，然后输出world

五、c/c++程序的内存开辟

c/c++程序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，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。

通过此图可以更好的理解，用static修饰的局部变量，在栈区上创建的变量，出了作用域就销毁了，而static修饰的变量就变成静态区的变量，静态区创建的变量，直到程序结束时才销毁。

六、柔性数组

c99中，结构中的最后一个元素云讯是未知大小的数组，这就叫做柔性数组成员。
例如：

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

有些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
}

6.1柔性数组的特点

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员
• 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

6.2柔性数组的使用

//代码1
#include 
#include //perror的头文件
#include 
   typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + sizeof(int) * 100);
	//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。
	if (p == NULL)
	{
		perror("p");
	}
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

6.3柔性数组的优势

//代码2，代码2可以实现跟代码1同样的功能
#include 
#include //perror的头文件
#include 
typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;
}type_a;
int main()
{
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	p->i = 100;
	
	if (p == NULL)
	{
		perror("p");
	}
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
	if (p->p_a == NULL)
	{
		perror("p->p_a");
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = 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。但其实相差的并不是很大，因为在给柔性数组分配空间时，还是要通过偏移量的加法来寻址

end~