动态内存管理（含经典面试题）

1. 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：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，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，就⽐较灵活了。

2. malloc和free

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，stdlib.hmalloc的⾏为是标准是未定义的，取决于编译器

#include 
#include 
int main()
{
	//int arr[10]
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("maclloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//这里没有释放空间,程序结束后会自动释放,但最好手动释放
	return 0;
}

运行结果如图:

当申请的空间太大的时候会开辟失败,所以要对maclloc的返回值进行合理判断

#include 
#include 
int main()
{
	//int arr[10]
	int* p = (int*)malloc(90000000000 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("maclloc");
		return 1;
	}
	return 0;
}

VS2022 X86环境下 运行结果如图

2.2 free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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。

#include 
#include 
int main()
{
	//int arr[10]
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("maclloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

3. 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);

• 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。

int main()
{
	int* p = malloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%x ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

所以,如果malloc函数没有初始化打印结果是随机值

int main()
{
	int* p = calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

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

• 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。

函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

• 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,如果调整失败会返回NULL。
• 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
    

情况1
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！

情况2
在已经开辟好的的空间后面没有足够的空间，会堆空间上另找⼀个合适大小的连续空间来使用。
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空间，然后释放旧的空间，同时返回新起始空间的地址。

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* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//空间不够，想扩大空间，20个字节
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

通过监视窗口可以观察到

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//打印
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//假如要扩大的空间比较大
	int* ptr = realloc(p, 100 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

通过监视窗口可以观察到

当realloc函数的的第一个参数是NULL，那么他和malloc函数的功能是一样的。

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

运行结果如图：

4. 常见的动态内存的错误

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

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当循环到11次时就越界访问了
	}
	//...
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

#include 
#include 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	//...
	p = &a;
	free(p);//p指向的空间就不是堆区的空间
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	p++;
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

4.5 对同一块动态内存多次释放

#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	//...
	//释放
	free(p);
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果如图:

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include 

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}

int main()
{
	test();
	while (1);
	return 0;
}

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。

5. 动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1：

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

通过调试窗口可以看到:

因为函数在传参的时候形参是实参的一份临时拷贝，所以这里只是把str的值传给p，p的改变并不会影响str，当出了GetMemory函数后str的值还是NULL，这时候在把字符串"hello world"拷贝给str时，就会对空指针进行解引用，而出现错误

• GetMemory函数采用值传递的方式，无法将malloc开辟空间的的地址，返回在str中，调用结束后str依然是NULL指针
• strcpy中使用了str，就是对NULL指针解引用操作
• 因为在GetMemory函数中并没有释放p指向的空间，出了函数p被销毁就找不到动态开辟的空间了，所以会造成内存泄漏

那这个printf有问题吗？

#include 
int main()
{
	char arr[] = "abcdef";
	printf("%s\n", arr);
	printf("abcdef\n");
	printf(arr);

	return 0;
}

运行结果如图：

可以看到这些写法都没有什么问题，这是因为常量字符串在使用的时候传递的首字符的地址，数组名也是首元素的地址，所以这样写是没问题的。

如果要修改的话，这个代码可以用二级指针把str的地址作为函数的参数传过去

#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);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果如图:

也可以把指向动态分配的内存的指针p作为返回值，传给str也能实现。

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

运行结果如图：

5.2 题目2：

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

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果如图：

这里为什么打印的是乱码呢？

这里p数组是在GetMemory函数里面定义的，所以它的作用域只在GetMemory函数里面有效，但GetMemory函数运行结束，p数组就被销毁的，这时候虽然把p，也就是数组首元素的地址返回了，但是str虽然能找到这块空间，但是没有使用权限了，这时候str就是野指针。

这是一个典型的返回栈空间的地址的问题。

5.3 题目3：

#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;
}

运行结果如图：

这里运行结果没有什么问题，但是这个代码没有释放动态开辟的内存，这里不会出问题是因为在程序结束，编译器会自动把空间释放，但是最好要手动释放空间。

#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);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5.4 题目4：

#include 
#include 
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	//str是野指针
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");//非法访问
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0；
}

这里虽然释放了str指向的空间，但是没有把str置为NULL，所以str这时是野指针，所以下面的代码就形成了非法访问的问题。

所以最好这样修改代码

#include 
#include 
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");//非法访问
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0；
}

所以，大家一定要注意的些问题才能写出正确的代码。