【C语言】动态内存管理
目录
- 1. 前言
- 2. 为什么要有动态内存分配
- 3. malloc和free
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- 3.1 malloc
- 3.2 free
- 4. calloc和realloc
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- 4.1 calloc
- 4.2 realloc
- 5. 常见的动态内存的错误
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- 5.1 对NULL指针的解引用操作
- 5.2 对动态开辟空间的越界访问
- 5.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 5.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 5.5 对同一块动态内存多次释放
- 5.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 6. 动态内存经典笔试题分析
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- 6.1 题目1
- 6.2 题目2
- 6.3 题目3
- 6.4 题目4
- 7. 柔性数组
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- 7.1 柔性数组的特点
- 7.2 柔性数组使用
- 8. 总结C/C++中程序内存区域划分
1. 前言
结构体、动态内存管理对于后面数据结构的学习是非常重要的，这次来看看动态内存管理，话都不说，正文开始。
2. 为什么要有动态内存分配
在我们对当前变量的内存开辟是有局限性的，比如说
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
这个内存空间就开辟好了，不能再修改。
如果觉得不够，刚开始就直接申请
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
较多的空间，当可能会造成浪费。
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
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。
C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较较灵活了。
3. malloc和free
3.1 malloc
malloc是用来申请内存的
void* malloc (size_t size);
它有一个参数就是size，指定就是要申请多少个字节。返回类型是void*,返回的是申请好空间之后的起始位置，之后就通过这个指针来维护这块空间。
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。
- 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。
3.2 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。
- 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。
举个例子看看malloc和free的使用：
#include 
free(p);
p = NULL;
为什么free之后还要置空呢？
会存在free之后不小心继续使用就这个地址，这时就存在野指针，为了避免，在free之后，再加一个置空，这样在之后不小心使用了，也没事，已经是空了。
那么会不会出现开辟内存过大，失败的情况？
当然也会有，来看一个例子:
int main()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX*4);//开辟失败的
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//打印
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
return 0;
}
因为malloc在堆区上申请内存空间，如果需要释放空间，需要使用free函数；如果没有使用free释放，在程序退出的时候，也会由操作系统来回收。
4. calloc和realloc
这4个函数都是在堆上开辟空间。
4.1 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);
- 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全0。
举个例子：
int main()
{
int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//使用内存
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
就等同于下面这个代码：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
//使用内存
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
结果都是：
4.2 realloc
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);
- 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，那为了合理的时候内存，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。
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。
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
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
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。
当是情况2 的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：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。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意⼀些。
举个例子：
int main()
{
int*p = (int*)malloc(5*sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
ptr = NULL;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
for (i = 5; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i+1;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
5. 常见的动态内存的错误
5.1 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);
}
在这个代码中，我们如果开辟不成功，返回的就是NULL，那么后面解引用p的时候就会有问题。
所以说我们在使用malloc来开辟空间的时候多加一个判断，来看看是否内存开辟成功,失败代码就不继续往下执行。
加一个判断之后：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
*p = 20;
free(p)；
p=NULL;
}
5.2 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(20);//20个字节 - 5个整型
if (p == NULL)
{
return 1;
}
int i = 0;
//越界访问
for (i = 0; i < 20; i++)/20个字节 - 5个整型，不是20个整型
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
当在使用malloc开辟空间时，给的内存是有限的，超过就会越界访问。
所以在使用malloc开辟空间时，不能越界访问。
5.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
//...
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
这里a开辟的空间不是在堆上开辟的，只能是malloc calloc realloc，开辟的空间才能free。
5.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//开辟成功
int i = 0;
//1 2 3 4 5 [] [] [] [] []
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i + 1;
p++;//p位置已经改变
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
当要free的时候，一定要指向起始位置。
在使用一定要注意，free时不要把起始位置弄错了，不然就释放不了了。
5.5 对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//...
//释放
free(p);
//....
free(p);
return 0;
}
我们可能会忘记已经释放过开辟的空间。
为了避免这样，我们在free时候，把指针置为空，这样，当再次free时候，也不会出错。
5.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
return;
}
//使用
//....
if (1)//申请的空间还没来得及释放，就返回
{
return;
}
//释放
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
//如果程序不退出，一直跑
return 0;
}
申请的空间还没来得及释放，就返回
切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。
6. 动态内存经典笔试题分析
6.1 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);
}
这个代码能不能打印出hello world?
这里有两个问题：1. 对NULL进行解引用，导致程序崩溃。2.malloc申请空间，没有free，导致内存泄漏。
所以这里要把地址传过去，用二级指针。
修改一下：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
6.2 题目2
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
执行结果为什么是这样？
这个是 str = GetMemory()，接受的就是char p[] = "hello world"中p的位置，这个数组是局部的，一旦返回p，这个空间就销毁了，这时在去访问，就是非法访问了。
6.3 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);
}
这里忘记对申请的空间进行free，可能会造成内存泄漏。结束使用时，不要忘记free。
修改之后：
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
6.4 题目4
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
free(str)之后，没有将str置空，这里str肯定不为空，str就是野指针，继续使用会继续产生非法访问。
加上str = NULL。
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);//
str = NULL;
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
}
}
7. 柔性数组
也许之前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
};
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
};
7.1 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。
举个例子：
struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(struct st_type));
return 0;
}
7.2 柔性数组使用
直接看例子：
struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
/* printf("%d\n", sizeof(struct st_type));*/
struct st_type* p = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 10*sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
//使用
int i = 0;
p->i = 100;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p->a[i] = i;
}
//我们希望结构中的a数组变长为60个字节
struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(p, sizeof(struct st_type)+15*sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
ptr = NULL;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
//使用
//...
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
struct st_type
{
int i;
int* a;
};
int main()
{
struct st_type* p = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type));
if (p == NULL)
{
perror("malloc\n");
return 1;
}
p->i = 100;
p->a = malloc(10 * sizeof(int));
if (p->a == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p->a[i] = i;
}
//希望a指向的空间是15 个整型
//struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(p->a, 15 * sizeof(int));//错误的
//应该改为下面代码：
int* ptr = (int*)realloc(p->a, 15 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
else
{
//p = ptr;//错误的
//应该改为：
p->a = ptr;
ptr = NULL;
}
//使用
//....
//释放
free(p->a);
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，也没多高了，反正跑不了要用做偏移量的加法来寻址）
8. 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：
- 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。
有错误请指出，大家一起进步吧！