动态内存管理

Posted 2023-04-01 自信不孤单

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了动态内存管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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动态内存管理

文章目录

动态内存管理
前言
1. 为什么存在动态内存分配
2. 动态内存函数的介绍
3. 常见的动态内存错误
4. 动态内存经典笔试题
5. C/C++程序的内存开辟
6. 柔性数组

前言

在前面我们已经知道了一些使用内存的方式：

创建一个变量

创建全局变量：在静态区开辟内存
创建局部变量：在栈区开辟内存

创建一个数组

创建全局数组：在静态区开辟内存
创建局部数组：在栈区开辟内存

static修饰的变量

在静态区开辟内存

内存的区域划分如下：

1. 为什么存在动态内存分配

在之前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，它所需要的内存在编译时分配。

但是我们对于空间利用的需求，不仅仅是上述的情况。例如：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。

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free函数

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起始位置的指针。

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，具体在使用的时候由使用者自己
来决定。

如果参数size为0时，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。

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函数是用来释放动态开辟的内存的。

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。

配合使用举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	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;

这里因为ptr被释放掉了，所以ptr指向的空间没有了意义。而ptr在被free释放后还保留着原来这份空间的地址，变成了野指针，为了避免这块空间被错误的使用，我们将ptr置为NULL，赋成空指针，这样就ptr指针就真正的断开了与这块空间的联系。

2.2 calloc函数

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。

用法举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	
		//使用空间
		
	
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;

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。

2.3 realloc函数

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是调整之后新大小。
返回值为调整之后的内存起始位置的地址。
这个函数在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
要扩展内存就在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。

情况2：原有空间之后没有足够大的空间
我们想要在原来的内存位置改变内存大小，但是原内存块的后面并没有足够大的空间，那我们扩展的方法就是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，并且把原来内存中的数据拷贝过来，这样函数返回的是一个新的内存地址。注意在另找一个新空间的同时，原有开辟的内存直接被释放，我们不需要考虑内存泄漏的问题。

用法举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()

	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	
		//业务处理
	
	else
	
		exit(EXIT_FAILURE);
	
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	
		ptr = p;
	
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;

这里代码1使用错误，原因是在重新申请内存失败后，realloc会返回空指针，如果用指向原来那份空间的指针来接收，那么指针的值会被改成NULL，原来那份空间的地址丢失，会造成内存泄漏。所以应该采用代码2的方式来操作。

3. 常见的动态内存错误

3.1 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);

3.2 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);

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()

	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//ok?

注意：free函数只能对我们开辟的动态内存进行释放操作！

3.4 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

p++指针后移，释放时只释放了原来的p+1之后的内存，导致原来p所指向的内存没有释放，造成内存泄漏。

3.5 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

注意：同一块内存空间只能释放一次。

3.6 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。

4. 动态内存经典笔试题

4.1 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);

该代码有什么问题？

程序代码运行会出现奔溃现象
程序存在内存泄漏问题

原因：

str以值传递的形式传给p，p是GetMemory的形参，对p的改变，不会影响到str。在GetMemory函数结束后，动态开辟内存尚未释放，并且无法找到，所以会造成内存泄漏。
GetMemory函数结束之后str仍然为NULL，将"hello world"放入空指针指向的空间，最后程序必然会崩溃。

代码改正：

#include <stdlib.h>

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;

4.2 题目2

char* GetMemory(void)

	char p[] = "hello world";
	return p;

void Test(void)

	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);

该代码有什么问题？

内存非法访问

原因：

GetMemory函数内部创建p数组，并返回p的地址，在函数内部返回栈空间的地址是有问题的，局部变量出了函数之后自动销毁，出了函数后对局部变量p的访问就是非法的，所以之后在打印str的值时，打印的结果就成为了随机值。

4.3 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);

该代码有什么问题？

内存泄漏

原因：

忘记释放malloc动态开辟的内存导致内存泄漏。

代码改正：

#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);
    free(p);
    p = NULL;

int main()

    Test();
    return 0;


#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);
    free(p);
    p = NULL;

int main()

    Test();
    return 0;

4.4 题目4

void Test(void)

	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	
		strcpy(str, "world");
		printf(str);

该代码有什么问题？

内存非法访问

原因：

free(str)后，我们将动态开辟的内存就已经释放掉，还给操作系统了，我们无法进行操作了。但是p并未置为NULL，所以str还记得指向的动态内存的地址，这块内存已经不属于我们了，我们还要将"world"拷贝进入这块内存，这就属于非法访问内存。

5. C/C++程序的内存开辟

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。

到此我们就能很好的理解static关键字的修饰局部变量的作用了

实际上，普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。
但是，被static 修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在静态区创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期会变长。

6. 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。
在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：

typedef struct st_type

	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
type_a;

有些编译器可能会报错无法编译，可以改成：

typedef struct st_type

	int i;
	int a[];//柔性数组成员
type_a;

6.1 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;
printf("%d\\n", sizeof(type_a));//输出的是4

6.2 柔性数组的使用

//代码1
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);

这样的柔性数组成员a，相当于获得了一个100个整形元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的type_a结构也可以设计为：

//代码2
typedef struct st_type

    int i;
    int* p_a;
type_a;
type_a* p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
//业务处理
for (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;

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：

1. 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。

2. 减少内存碎片，提高内存的使用率

代码2的malloc次数多，内存碎片增多，内存使用率低。并且代码2维护难度加大，容易出错，访问速度也相对较慢。

到此，关于《动态内存管理》的内容就结束了
感谢大家的观看
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关于动态内存管理的一些理解

动态内存管理

为什么要存在动态内存分配

我们现在知道的开辟的空间的方式只有直接声明变量，例如：

    int a = 3;
	char b[5] = { 1,2,3 };

我在学习数组的时候告诉我们定义数组时，例如：int a[n]。n必须时常量，而不能是变量。当时我就在想这样的规定是多么的不人性化，因为n是常量的时候，你必须在定时数组的时候就预先知道数组的大小，特别是在处理一些复杂的问题的时候数组的大小是变化的，当时我就在想为什么不能在代码运行过程中调整数组的大小？直到我学到了动态内存管理一切疑惑才解开。

上述就是开辟的空间的两个特点：

空间开辟大小是固定的
数组在声明的时候，就必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译的时候分配。

在这里多补充一下计算机内存的结构：

我们平时申请的变量其实都是在栈区上申请的，下面介绍的动态内存开辟函数都是在堆区上开辟的

动态内存函数的介绍

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首地址的指针：

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的行为是未定义的，取决于编译器。

free

c语言专门提供了一个回收和释放动态内存的函数

void free(void* ptr);

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（只能释放动态开辟的空间）
如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做
使用完free函数后，内存被释放但是指针依然指向那片内存，所以要手动将指针置为空指针，防止指针非法访问。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)  //判断动态内存是否开辟成功
		printf("开辟失败");
	else
	{
		for (int i = 0; i < num; i++)
		{
			ptr[i] = i;
		}
	}
	free(ptr);//释放开辟的动态空间
	ptr = NULL;
}

这里就模拟实现了数组的动态开辟。

calloc

c语言还提供了一个功能与malloc功能相似的函数calloc

void* calloc(size_t num, size_t size);
//参数含义是开辟num个大小为size的空间

函数的功能是为num个大小为size的元素开辟一块空间，并且白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

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("开辟内存失败");
	}
	else
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;

}

我们开始调试并打开内存监视，输入p的地址，便可以看到内存将动态开辟的内存全部初始化为0了

realloc

realloc函数让内存开辟更加方便和灵活。我有时候开辟的空间太小，有时候开辟的过大，realloc
可以对动态内存进行灵活的调整，函数原型如下：

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

ptr是要调整的内存地址
size是调整之后的新大小
返回值为调整之后的内存起始位置（是整个动态内存的起始位置，而不是增加的内存起始位置）
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（注意新空间包括原来的空间和调整参数空间的大小，返回的地址是新空间的首地址）
realloc在开辟空间时存在两种情况：
1. 原有空间后有足够大的空间

这种情况就是直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生改变。
2. 原有空间后没有足够大的空间

解决方法时在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用，函数返回一个新的内存地址。旧地址会被free掉

注意事项：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int *)realloc(NULL, 100);
	if (ptr == NULL)
		printf("开辟失败");
	else
	{
		//扩容方法一
		ptr = (int *)realloc(ptr, 100);
		//扩容方法二
		int* p = NULL;
		p = (int*)realloc(ptr, 100);
		if (p != NULL)
			ptr = p;
		free(ptr);
		ptr = NULL;
	}
}

两种扩容方法，方法一存在一个错误就是当扩容失败的时候realloc会返回空指针，空指针赋给ptr会导致ptr储存的地址丢失，而方法二更加保险，创建了一个指针来接受库容后的地址，然后进行判断最后赋值。

动态内存常见的错误

对申请的动态空间不进行NULL检查

void main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	*p = 4;
	free(p);
	p = NULL;
}

malloc开辟的动态空间一定要检查是不是为NULL指针！！！！！！！！！！！！！上面的代码是妥妥的错误代码。

对动态开辟的空间越界访问

void main()
{
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 11; i++)
		{
			p[i] = i;
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

这里动态开辟了10个int类型的空间，但是赋值的时候要赋11个值，导致了非法访问。这点和数组的越界访问一样，开辟多大的空间访问多大的内存；

对非动态内存使用free释放

不能使用free释放非动态内存

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void main()
{
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			*p++ = i;
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

这里p的地址被改变不在指向动态内存的首地址，导致free在释放内存时出现问题

对同一块内存多次释放


void main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	free(p);//p=NULL;
	free(p);
}

这种情况再写代码的时候在函数里面释放完之后，回主函数有释放一遍导致错误。最好的解决方法是将释放完的指针立刻置为空指针。

动态开辟内存忘记释放（内存泄露）

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

指针p是一个局部变量，出函数就会被销毁，这样指向动态开辟的地址的指针就会丢失，导致这块内存没有人能找到，但是内存一直被占用。程序循环下去直到内存开辟到不够时崩溃。
这里补充一下动态内存的两种回收方式：

主动释放：利用free函数释放
程序结束自动释放

几个经典的笔试题

1


void Getmemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void test()
{
	char* str = NULL;
	Getmemory(str);
	strcpy(str, "helloworld");
	printf(str);
}

这个代码实际上是错误的
str虽然是指针，但是str传递给Getmemory实际上是值传递，所以Getmemory里的形参是str的一份临时拷贝，Getmemory函数结束就会被销毁。所以str并不会受到影响，str依然是NULL，strcpy函数调用将常量字符串赋给空指针就会出现错误
参考写法：

void Getmemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void main()
{
	char* str = NULL;
	Getmemory(&str);
	strcpy(str, "helloworld");
	printf(str);
}

改成传指针的地址，并用二级指针接收即可

2


char* Getmemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void test()
{
	char* str = NULL;
	str = Getmemory();
	printf(str);
}

这里Getmemory看似有返回值，但是要注意的是常量字符串“hello world”是在栈区上开辟的，在函数结束时，这块内存空间就会被销毁。返回地址时没有意义的
参考写法：


char* Getmemory(void)
{
	char *p = (char*)malloc(100);
	strcpy(p, "kksk");
	return p;
}
void main()
{
	char* str = NULL;
	str = Getmemory();
	printf(str);
}

使用动态内存开辟，函数结束后内存就不会返还给操作系统了！

3


void main()
{
	char* p = (char*)malloc(100);
	strcpy(p, "kksk");
	free(p);
	if (p != NULL)
	{
		strcpy(p, "kksk");
		printf(p);
	}
}

free过后内存被释放，但是指针依然保留那块内存的地址，所以在使用指针访问那块内存就属于非法访问了。

c/c++内存开辟

柔性数组

柔性数组的定义

方式一
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

方式二：
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

柔性数组的特点

结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员
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 s
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}s;
int main()
{
	struct s* p = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 10 * sizeof(int));//柔性数组的开辟
	if (p == NULL)
		printf("开辟失败");
	else
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(p->a + i) = i;
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

但是学到这里我们发现柔性数组好像没有存在的必要，如果不用柔性数组，上述该如何实现？


struct s
{
	int i;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct s* p = (struct s*)malloc(sizeof(struct s));
	if (p == NULL)
		printf("开辟失败");
	else
	{
		p->i = 10;
		int* pc = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
		if (pc != NULL)
		{
			p->arr = pc;
			for (int i = 0; i < 10; i++)
			{
				*(p->arr + i) = i;
			}
		}
		free(pc);
		pc = NULL;
	}

	free(p);
	p = NULL;
}

不用柔性数组，这样开辟也是完全可以的，但是申请空间的时候要申请两次（一次是给结构体申请，一次是给数组申请），释放内存的时候也要释放两次。所以这就体现出了柔性数组的好处，如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你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要free，所以用柔性数组一次开辟，一次释放十分方便。

以上是关于动态内存管理的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

玩转C语言动态内存，轻松管理动态内存空间

C语言进阶：动态内存管理

C语言学习笔记（16）动态内存管理

C语言之动态内存管理（动态内存分配+经典笔试题+柔性数组）[建议收藏]

剖析c语言动态内存管理

C语言进阶动态内存管理