C语言进阶—— 动态内存开辟+柔性数组

Posted 2021-08-28 Perceus

@toc

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⛳前言

现代计算机基本都是基于冯诺伊曼结构体系设计出来的，冯诺伊曼结构体系的核心就是“存储程序”，将程序（指令集）和数据以同等地位存储在内存中。但是我们的内存空间并不是无限大的，所以为了高效的利用好内存空间，操作系统会对这些内存空间进行相应的分区，不同区域的内存有其对应的功能和使用方式。

比如局部变量、函数形参通常是存储在栈区的，这部分内存空间的特点就是临时使用，用完即释放（当然这个都是由操作系统自动完成的，不需要程序员的干预）；
再比如全局变量通常存放在静态区，此外由static修饰的局部变量也会放到静态区（所以static修饰局部变量，本质上是改变了其存储的位置，从栈区-- > 静态区），这部分内存空间就是生命周期很长，长到整个程序运行结束；
再例如我们使用的常量字符串，会被保存到常量区，这部分内存区域的特点就是类似于“常量”，不可被修改，相当于添加了一个“const”的buff。

进入正题

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思维导图：

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⌛一、寻根问底

什么是动态内存分配 / 管理？

由程序员根据实际编程需要向操作系统申请，在堆区上开辟的，供程序员操作使用和维护的内存空间，程序员的游乐园！通常是一些临时用到的数据或者变量，随时开辟，用完随时释放，而不必等到函数结束后由操作系统回收！

为什么需要动态内存分配？

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：

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。 这时候就只能试试动态存开辟了。

怎么建立动态内存分配？

通过系统提供的4个库函数实现，malloc\\calloc\\realloc\\free，这四个函数后面我们会详细介绍。

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⌚二、动态内存函数

注意：以下说的四个函数的头文件均为：stdlib.h

malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void * malloc(size_t size);

size_t就是unsigned int（无符号整型）

这个函数的作用就是在动态存储区中分配一个长度为size个字节的连续空间，并返回指向该空间的指针。

示例

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    //向内存申请十个整形空间，返回空间的起始地址
    int* p = malloc(10 * sizeof(int));

    if (p == NULL)
    {
        //打印错误原因的一个方式
        printf("%s\\n", strerror(errno));
    }
    else
    {
        //正常使用空间
        int i = 0;
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            *(p + i) = i;
        }
        for (i = 0; i < 10; i++)
        {
            printf("%d ", *(p + i));
        }
    }
    return 0;
}

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动态开辟的空间如何释放和回收呢？
C语言提供了一个专门完成这个功能的库函数-- - free

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：

void free(void* p)

free的作用就是释放指针变量p所指向的动态空间，使这部分空间能够重新被利用。

看一下实际的使用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //1.通过动态开辟申请10个int类型的空间
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//通常结合sizeof一起使用
    //根据实际使用强制类型转换为想要的类型
    //2.malloc有可能申请空间失败，所以需要判断一下
    if (ptr == NULL)
    {
        perror("main");//perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因）
        return 0;//出错就直接结束函数
    }
    //3.使用 给这10个整型空间赋值
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(ptr + i) = i;
    }
    //打印一下
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ptr[i]);//这里可以直接使用数组下标的形式，和指针解引用是一样的
    }
    //4.释放
    free(ptr);
    ptr = NULL;//需要手动置为NULL，防止非法访问
    return 0;
}

为什么要进行动态内存的释放和回收？

那释放之后为什么要手动将指针赋值为NULL（空指针）呢？

那有没有动态分配函数在申请空间的同时就进行初始化呢 ?

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calloc

calloc函数也用来动态内存分配，函数原型：

void * calloc(size_t num, size_t size);

比如刚刚的上面的代码，如果我们将malloc换成calloc，不进行手动初始化：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //int*p = malloc(10*sizeof(int))
    int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        perror("main");
        //perror是一个报错函数，实际出错时打印效果为：main:xxxxxx（错误原因）
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ptr[i]);
    }
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

在内存储存如下：

所以如何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。

光从上面这三个函数的介绍，我们可能并没有深刻体会到“动态内存分配”的动态体现在哪，接下来要介绍的函数才是动态内存分配的“灵魂”-- - realloc

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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，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那rea1lloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整

函数原型：void * realloc(void* ptr, size_t size);

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));

    if (ptr == NULL)
    {
        perror("main");
        return 0;
    }
    //realloc使用的注意事项：
    //1. 如果p指向的空间之后有足够的内存空间可以追加，则直接追加，后返回p
    //2. 如果p指向的空间之后没有足够的内存空间可以追加，则realloc函数会重新找一个新的内存区域
    //   开辟一块满足需求的空间，并且把原来内存中的数据拷贝回来，释放旧的内存空间
    //   最后返回新开辟的内存空间地址
    //3. 得用一个新的变量来接受realloc函数的返回值
    //进行扩容操作
    int* p = (int*)realloc(ptr, 100 * sizeof(int));
    //注意：不能直接将扩容之后的地址给ptr，因为存在扩容失败的可能，会导致ptr地址丢失
    if (p == NULL)
    {
        printf("realloc failed!\\n");
        return 0;
    }
    p = ptr;//返回新地址
    //业务处理
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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⛵三、常见的动态内存错误

1）对空指针NULL的解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int* p = malloc(10 * (sizeof(int)));
    //万一malloc失败了，p就被赋值为空指针（NULL）
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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2）对动态开辟空间的越界访问

当I = 10时越界访问

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3）对非动态开辟内存使用 free 释放

free一定是释放堆区上的数据

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4）对同一块动态内存的多次释放

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5）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

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6）动态开辟内存忘记释放（导致内存泄露）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
}
int main()
{
    while (1)
    {
        test();
    }
    return 0;
}

（没停止运行我电脑死机了！！！……）

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

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✨四、经典笔试题练习

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

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

分析：

改进方法一：

改进方法二：

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题目2：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";//退出函数时被销毁了
    return p;//虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值
}

void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();//被赋予了随机值
    printf(str);
}

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

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

退出函数时被销毁了,虽然返回了但是在栈区退出时被销毁了，重新赋予p随机值

分析：

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习题3：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
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;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

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习题4:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str); //提前释放内存，但并不会置空指针
    //str成为了野指针，if语句没有作用
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world"); //前面已经释放内存了，非法访问
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

✨请问运行Test函数会有什么样的结果？

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⏲五、C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

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⚾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，结构体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。

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举例

struct S
{
    int n;
    int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};

#include<stdio.h>

struct S
{
    int n;
    int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};

int main()
{
    printf("%d", sizeof(struct S));
    return 0;
}

举例：

#include<stdio.h>
struct S
{
    int n;
    int arr[];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
};

int main()
{
    //struct S s1;这种方式创建的变量无法正常使用
    //printf("%d\\n", sizeof(s1));
    //假设我们期望arr的大小是10个int类型
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));//开辟了arr的空间
    return 0;
}

动态开辟内存分布情况如图：

正因为空间是动态开辟出来的，如果后续使用的时候，数组arr的空间大小不够了，可以通过realloc去动态调整，体现了其“柔性”的特点。

#include<stdio.h>
struct S
{
    int n;
    int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
};
int main()
{
    //假设我们期望arr的大小是10个int类型
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));

    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;//访问并修改arr[]的值
    }
    //调整
    struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
    if (ptr == NULL)
    {
        perror("main");
        return 1;
    }
    ps = ptr;
    //使用
    //.....
    //释放
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

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柔性数组功能的替代方法

用一个指针代替柔性数组成员

struct S
{
    int n;
    //int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
    int* arr;//替换柔性数组
};
int main()
{
    struct S* ps=(struct*)malloc(sizeof(struct S));
    ps->arr=malloc(5*sizeof(int));

    int i=0;
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        ps-arr[i]=i;
    }
    for(i=0;i<5;i++)
    {
        printf("%d ",ps-arr[i])
    }
    return 0;
}

如果内存不够，想再次修改如下：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>

struct S
{
    int n;
    //int arr[];//还可以写成这样 int arr[0];
    int* arr;//替换柔性数组
};

int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));//开辟了结构体8个字节的空间（初始空间）
    //两次malloc是为了让ps->arr是动态的，如果ps被系统释放了，arr指向的空间就找不到了
    ps->arr = malloc(5 * sizeof(int));//让arr指向动态开辟的空间

    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        ps -> arr[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("%d ", ps -> arr[i]);
    }
    printf("\\n");

    //调整内存
    int* ptr = realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));
    if (ptr != NULL)
    {
        ps->arr = ptr;
    }
    for (i = 5; i < 10; i++)
    {
        ps->arr[i] = i;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }

    //释放内存
    free(ps->arr);//先释放里面的
    free(ps);
    return 0;
}

柔性数组与非柔性数组比较

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