【C语言(十五)】
动态内存管理
一、为什么要有动态内存分配?
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：
二、malloc和free
2.1、malloc
C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：
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。。
2.2、free
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。
举个例子：
#include
#include
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = { 0 };
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
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;
} 三、calloc和realloc
3.1、calloc
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);
举个例子：
#include
#include
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL != p)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
} 输出结果：
所以如果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。
3.2、realloc
函数原型如下：
void * realloc ( void * ptr, size_t size);
情况1
当是情况1的时候，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。
在已经开辟好的空间后边，没有足够的空间，直接进行空间的扩大，在这种情况下，realloc函数会在内存的堆区重新找一个空间(满足新的空间的大小需求的)，同时会把旧的数据拷贝到新的新空间，然后释放旧的空间，同时返回新的空间的起始地址。
情况2
在已经开辟好的空间后边，有足够的空间，直接进行扩大，扩大空间后，直接返回旧的空间的起始地址!
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意⼀些。
#include
#include
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(100);
if (ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
return 1;
}
//扩展容量
//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
//int* p = (int*)realloc(NULL,40);//等价于malloc
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
int* p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if (p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
} malloc/calloc/realloc 申请的空间
如果不主动释放，出了作用域是不会销毁的
释放的方式:
1. free主动释放
2.直到程序结束，才由操作系统回收
四、常见的动态内存错误
4.1、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
free(p);
}4.2、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 (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);
}4.3、对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//ok?
}4.4、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
}4.5、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
}4.6、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);
}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。
五、动态内存经典笔试题分析
5.1、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);
}请问运行Test函数会有什么样的结果？
1.GetMemory函数采用值传递的方式，无法将malloc开辟空间的地址，返回放在str中，调用结束后str依然是NULL指针。
2. strcpy中使用了str，就是对NULL指针解引用操作，程序崩溃。
3.内存泄露。
5.2、题目2:
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
5.3、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);
}这个题目大体上是没问题的，唯独缺少了最后的释放空间和指针置空。
5.4、题目4:
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
//str就是野指针
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");//非法访问
printf(str);
}
}以上的代码只有在使用完指针后将指针所指的空间释放，而并没有将指针置空。
六、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。
例如：
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：
struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;6.1、柔性数组的特点:
例如：
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
return 0;
}6.2、柔性数组的使用
//代码1
#include
#include
int main()
{
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);
return 0;
} 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。
6.3、柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。
//代码2
#include
#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;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
//业务处理
for (int i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
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。(其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址)
拓展阅读：C语言结构体里的数组和指针
七、总结C/C++中程序内存区域划分
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。