【c语言】动态内存管理（超详细）

他治愈了身边所有人，唯独没有治愈他自己—超脱

csdn上的朋友你们好呀！！今天给大家分享的是动态内存管理

为什么存在动态内存分配

我们定义的局部变量在栈区创建

    int n = 4;//在栈上开辟4个字节大小
	int arr[10] = { 0 };//在栈上开辟连续的40个字节大小

上述变量创建的特点
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

int main()
{
	int n;
	scanf("%d",&n);
	int arr[n];

}

上述代码只能在C99标准编译器上才行，vs系列编译器均不支持，那我们怎么才能在运行的时候，实现上述变长数组的代码呢？？这时候就只能试试动态存开辟了。

动态内存函数的介绍

malloc

函数功能：开辟内存块
参数size_t:需要申请的字节数
返回值：申请失败返回空指针，申请成功返回指向申请该空间首地址的指针
头文件：stdlib.h
注意：返回指针的类型是void*,这时候需要你把该指针强制类型转化为你想要的类型，这样方便访问，以及解引用，malloc申请来的空间是连续的，但是多次malloc来的是不连续的

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malloc的使用

int main()
{
	int*p=(int*) malloc(40);//申请了40个字节，强制转化为int*类型指针
	if (p == NULL)//如果返回空指针的话，申请失败
	{
		perror("malloc:");//打印错误信息
		return 1;//非正常退出
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//对每一个四个字节大小的元素赋值，这里*（p+i）的本质就是p[i];
		printf("%d", *(p + i));//打印每个元素
	}
	return 0;//程序正常退出


}

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free

功能：释放内存块
参数：指针接收要释放内存块的首地址
头文件：stdlib.h
返回值：无

了解了这些之后，我们试一下释放刚才malloc来的内存块

int main()
{
	int i = 0;
	int*p=(int*) malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc:");
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
		printf("%d", *(p + i));
	}
	free(p);//指针接收要释放内存块的首地址
	p = NULL;//很有必要否则p为野指针
    return 0;


}

当p所指向的申请的空间释放时，p指针指向随机位置，p变成野指针。
如果我们不释放动态内存申请的内存的时候，程序结束，动态申请内存由操作系统自动回收，如果不用free函数释放申请好的空间，就会在程序运行结束前一直存在于堆中，造成内存泄漏

int main()
{
	while (1)
	{
		malloc(1000);
	}
	return 0;

}

我是不知天高地厚的年轻人哈哈哈哈哈

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calloc

功能：申请一个数组在内存中，并且初始化为0；
参数：size_t num申请数组元素的个数，size_t size每个元素的字节大小
返回值：申请失败返回空指针，申请成功返回指向申请该空间首地址的指针
头文件：stdlib.h

calloc函数使用

int main()
{
	int i = 0;
	int*p=(int*) calloc(10,sizeof(int));//申请10个元素，每个元素字节大小4
	if (p == NULL)//如果返回空指针的话，申请失败
	{
		perror("calloc:");//打印错误信息
		return 1;//非正常退出
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		
		printf("%d ", *(p + i));//打印初始化的值
	}
	free(p);
	p = NULL;
    return 0;


}

malloc和calloc的区别：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
我们可以看看malloc有没有先初始化

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//申请了40个字节，强制转化为int*类型指针
	if (p == NULL)//如果返回空指针的话，申请失败
	{
		perror("malloc:");//打印错误信息
		return 1;//非正常退出
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		
		printf("%d ", *(p + i));//打印每个元素
	}
	free(p);//指针接收要释放内存块的首地址
	p = NULL;//很有必要否则p为野指针
	
	return 0;//程序正常退出


}

可以看到是未初始化的，放的随机值

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realloc

功能：内存块的扩容
参数：第一个参数接收要扩容内存块的首地址，扩容后总字节大小（包括原来的字节大小）
头文件：stdlib.h
返回值：

realloc函数使用

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//申请了40个字节，强制转化为int*类型指针
	if (p == NULL)//如果返回空指针的话，申请失败
	{
		perror("malloc:");//打印错误信息
		return 1;//非正常退出
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)//循环打印扩容前的元素
	{
		*(p + i) = i;
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//原空间够用ptr==p,不够用的话ptr存放新地址
	if (ptr != NULL)//扩容成功
	{
		p = ptr;//原空间够用ptr==p,不够用的话ptr存放新地址，重新将新地址给p
	}
	for (int i = 10; i < 20; i++)//扩容后新空间的
	{
		*(p + i) = i;
		printf("%d ", *(p + i));
	}

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

编译运行

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常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(1000);
	int i = 0;
	//if (p ==NULL)
	//{
	//	return 1;
	//}
	for (i = 0; i < 250; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

当malloc申请内存失败，p=NULL,i=0,相当于给空指针解引用

解决办法：对malloc函数返回值做出判断

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(1000);
	int i = 0;
	if (p ==NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (i = 0; i < 250; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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2. 对动态开辟空间越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int i = 0;
	if (p ==NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (i = 0; i <=25; i++)//越界访问
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

编译运行

解决方法：人为检查是否越界

修改：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int i = 0;
	if (p ==NULL)
	{
		return 1;
	}
	for (i = 0; i <25; i++)//=25变成<25
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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3.对非动态开辟内存进行free

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

编译运行

解决方案：你别手贱（）

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4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
    }
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;


}

编译运行

解决方案：别改变p指向的地址，或者用一个指针记录申请内存的首地址

plan1:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;


	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p+i)= i;
		printf("%d ", *(p + i));
    }
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;


}

plan2:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int* q = p;
	if (p == NULL)
	{
		return 1;


	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p= i;
		printf("%d ", *p);
		p++;
    }
	free(q);
	q = NULL;

	return 0;


}

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5.多次free已经释放的内存

int main()
{
	int* p = malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

编译运行

解决方案：别多次free已经释放的内存（滑稽）

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6.动态开辟内存忘记释放

见上面

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几个经典的笔试题

1

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

分析：定义一个char*str,让他指向空，str接收GetMemory()函数返回来的地址，进入GetMemory()函数，return p,只能把p[]的首地址传回去，而p[]是局部变量，出GetMemory()，p[]销毁，当你传回去的时候，str接收的是野地址，str为野指针。打印不出来hello world
编译运行：

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2.

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

分析：

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);
}

分析：

但是没有free释放内存

运行编译

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4.

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

分析：

运行编译

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柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。 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

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。

我们可以定义一个结构体

struct pp {
	int a;
	int b[];


};
int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct pp));

}

编译运行

确实没有包括柔性数组大小

柔性数组的使用

struct pp {
	int a;
	int b[];//柔性数组成员
};
int main()
{
	struct pp* p = (struct pp*)malloc(sizeof(struct pp) + 10 * sizeof(int));//malloc中第一个元素大小+柔性数组字节大小
	
	p->a = 4;//赋值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		p->b[i] = i;//赋值
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p->b[i]);//打印柔性数组
	}
	printf("%d ", p->a);
	free(p);//free掉malloc来的空间
	p = NULL;//p置为空指针

}

我们能不能用指针代替那个柔性数组呢，我们可以将指针指向的那个地方malloc来使用
定义一个结构体

struct pp {
	int a;
	int* p;
};

int main()
{
	struct pp* q = (struct pp*)malloc(sizeof(struct pp));//申请结构体大小的内存
	if (q == NULL)//判断申请是否成功
	{
		return 1;//异常退出
	}
	 q->p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (q->p == NULL)//判断申请是否成功
	{
		return 1;//异常退出
	}
	q->a = 10;//赋值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		q->p[i]= i;赋值
	}
	printf("%d ", q->a);
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", q->p[i]);
	}
	free(q->p);//free掉p指针指向的另一块申请空间的内存
	q->p = NULL;//指针置空，防止野指针
	free(q);//free掉q指向的申请的内存
	q = NULL;

}

分析：

malloc过程
释放过程

编译运行

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,根据局部性原理，连续存放的数据，cup从缓冲区读取的快，缓存区从内存中读取的快。

总结

本片分享了四个动态内存函数，以及常见动态内存错误，几个经典的笔试题，以及柔性数组的概念，如果你觉得对你有帮助的话，希望能留下你的点赞，关注加收藏，如果有不对的地方，可以私信我，谢谢各位佬们！！！