【C语言】动态内存管理（C语言的难点与精华，数据结构的前置知识，你真的掌握了吗？）
文章目录
- 引言
- 一、为什么要动态内存分配
- 二、动态内存分配的相关函数
-
- 2.1 malloc
- 2.2 free
- 2.3 calloc
- 2.4 realloc
- 三、常见的动态内存的错误
-
- 3.1 对NULL指针的解引用
- 3.2 对动态内存越界访问
- 3.3 对非动态内存释放
- 3.4 对动态内存部分释放
- 3.5 对动态内存多次释放
- 3.6 未对动态内存释放（内存泄漏）
- 四、动态内存经典笔试题分析
-
- 4.1 题目一
- 4.2 题目二
- 4.3 题目三
- 4.4 题目四
- 五、柔性数组
-
- 5.1 柔性数组的特点
- 5.2 柔性数组的使用
- 六、C/C++中程序内存区域划分
引言
学习专栏：
《零基础学C语言》
《数据结构世界》
俗话说的好，要想学好数据结构（数据结构世界，对数据结构感兴趣的小伙伴可以移步），就必须学好以下三方面知识：
- 指针
不允许你还不了解指针的那些事（一）（内存和地址+指针变量+指针运算+野指针+传址调用）
不允许你还不了解指针的那些事（二）（数组传参的本质+冒泡排序+数组指针+指针数组） - 结构体
自定义类型：结构体（你真的掌握了内存对齐，位段吗？） - 动态内存管理
前两方面的知识在往期已经详细讲解，今天我们就来学习最后一方面的知识——动态内存管理
一、为什么要动态内存分配
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：
- 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，数组空间⼀旦确定了大小不能调整
所以，为了能在程序运行中，根据需求灵活地调整空间大小，C语言引入了动态内存管理。
二、动态内存分配的相关函数
2.1 malloc
C语言提供了一个动态内存开辟的函数：
void* malloc (size_t size);
这个函数可以开辟一块连续的内存空间，并返回指向这块空间的指针
- 如果开辟成功，则返回指向开辟好空间的指针。
- 如果开辟失败，则返回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。
int main()
{
//动态开辟10个整型空间
int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL
{
perror("malloc fail");
return 1;
}
//开辟成功，使用该空间
//...
return 0;
}
注意：malloc(0)——开辟0个字节空间，是标准未定义行为，具体取决于编译器
2.2 free
C语言提供了另外一个函数free，可以动态内存的释放和回收：
void free (void* ptr);
free函数用来释放动态开辟的内存。
- 如果参数 ptr 是指向动态内存空间的指针，则释放该空间
- 如果参数 ptr 是NULL指针，则不作任何处理。
int main()
{
//动态开辟10个整型空间
int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL
{
perror("malloc fail");
return 1;
}
//开辟成功，使用该空间
//使用完毕，释放该空间
free(a);
a = NULL;
return 0;
}
注意：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
2.3 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。
void* calloc (size_t num, size_t size);
其实，它与malloc很相似，区别在于calloc会将开辟的连续空间，每个字节都初始化为0
int main()
{
//动态开辟10个整型空间并初始化为0
int* a = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL
{
perror("calloc fail");
return 1;
}
//开辟成功，使用该空间
//使用完毕，释放该空间
free(a);
a = NULL;
return 0;
}
2.4 realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
为了合理的运用内存，所以在开辟空间后觉得太大或太小，就可以使用realloc进行调整。
void* realloc (void* ptr, size_t size);
realloc调整成功，会返回调整后指向这块空间的指针
- ptr 是调整前空间的指针
- size 是调整后的新大小
- 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在调整内存空间的是存在两种情况：
- 情况1：原有空间之后有足够大的空间
这个时候，realloc会直接在原有空间后面直接追加开辟。
- 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
这个时候，realloc就会再找一块足够大空间，一次性开辟完，再将原数据拷贝过去。
int main()
{
//动态开辟10个整型空间
int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL
{
perror("malloc fail");
return 1;
}
//调整空间，扩大为20个整型空间
int* tmp = (int*)realloc(a, 20 * sizeof(int));
if (tmp == NULL)//开辟不成功，返回NULL
{
perror("realloc fail");
return 1;
}
//调整成功，将空间地址给a
a = tmp;
//使用空间...
free(a);
a = NULL;
return 0;
}
注意：
- 用临时变量tmp来接受realloc调整后的空间地址
- 因为如果用a接收，万一调整失败返回NULL，还会丢掉原本空间的地址
三、常见的动态内存的错误
3.1 对NULL指针的解引用
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);
}
3.2 对动态内存越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
if(NULL == p)
{
exit(-1);//终止程序
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}
3.3 对非动态内存释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}
3.4 对动态内存部分释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
3.5 对动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}
3.6 未对动态内存释放（内存泄漏）
因为程序终止会回收所有空间，所以这里用死循环来模拟程序运行中不释放动态内存，会导致内存泄漏。
int main()
{
int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
while(1);
return 0;
}
总结：动态开辟的内存一定要释放，并且要正确释放
四、动态内存经典笔试题分析
请先自行思考哦，不要立马看解析~
请问以下题目运行Test 函数会有什么样的结果？
4.1 题目一
void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
结果：
- 程序崩溃，内存泄漏
解析：
- GetMemory函数中，动态开辟了100个字节空间。但是p是一个形参，形参是实参的一份临时拷贝，对形参的影响无法改变实参，所以str还是NULL。
- 在运行strcpy函数时，因为要拷贝的目的地是NULL，所以程序崩溃。
- 同时，动态开辟的空间未释放，还导致了内存泄漏。
4.2 题目二
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
结果：
- 有可能打印出乱码
解析：
- GetMemory函数中，开辟了p数组。p是局部变量，出了函数作用域就会销毁（空间被回收）。
- 所以，str接收p的地址时，此时已经指向一块被回收的空间。
- 打印该空间的内容，是否为乱码，取决于该空间的内容是否被其余数据覆盖
4.3 题目三
void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
结果：
- 内存泄漏，有可能程序崩溃
解析：
- 这次进行传址调用，二级指针解引用，确实能改变外部str
- 但是接收到空间地址后，未进行检查，如果开辟失败，为NULL，则strcpy时依旧会程序崩溃
- 同时未对动态内存释放，造成内存泄漏
4.4 题目四
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
结果：
- 后果未知
解析：
- 假设能正常开辟动态内存
- strcpy拷贝完hello，并free进行释放
- 因为free不会自动将str置为NULL，所以以下判断不起作用，“拦不住”str这个野指针
- 最后strcpy将world拷贝到已被释放的空间，再进行打印（对已被释放的动态内存进行操作，后果未知，十分危险，很严重！）
五、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。
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[];//柔性数组成员
}type_a;
5.1 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。
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;
}
5.2 柔性数组的使用
int main()
{
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//使用空间
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。
六、C/C++中程序内存区域划分
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。
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