浅谈C语言的动态内存开辟

Posted 2021-08-17 aaaaaaaWoLan

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了浅谈C语言的动态内存开辟相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

文章目录

**动态内存函数的介绍**
malloc
free
calloc
realloc
**常见的动态内存错误**
**几个经典的笔试题**
**C/C++程序的内存开辟**
**柔性数组**
**C语言结构体里的数组和指针**

为什么存在动态内存分配

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，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。

动态内存函数的介绍

使用这些动态内存函数需要引头文件<stdlib.h>

malloc

free

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。

size是开辟空间的大小，单位是字节

动态内存在堆区上分配

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，来判断开辟空间是否成功

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。

最好别把size写为0，否则无意义

size可以写成想开辟的元素个数*元素大小，比如想开辟4个int类型的大小，就可以写成4 * sizeof(int)的形式

当开辟的内存不再使用时，需要及时释放

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。（会出错）

如图：

如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

使用free释放完内存后，需要将ptr及时置为NULL，否则再次使用ptr时会导致非法访问内存

举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 //代码2
 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；//将开辟的num个int元素都置为0
 }
 }
 free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
 ptr = NULL;//是否有必要？
           //有必要，因为之后如果误用了ptr，会出现非法访问内存的情况
 return 0; }

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：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0; }

这里开辟的10个int元素都会自动变为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。

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。

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。

情况2 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：

#include <stdio.h>
int main()
{
 int *ptr = malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }
 //扩展容量
 //代码1
 ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
                          //不建议这样接收新地址，如果开辟失败，则返回的是空指针，此时就找不到原空间了
 
 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);//要用一个新的指针接收返回的地址
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0; }

注：接收realloc返回的地址时最好用新创建的指针来接收，否则当空间开辟失败时，realloc会返回空指针，原指针ptr就变成了空指针，此时就找不到原空间的地址了，原空间就被浪费了，所以建议用新创建的指针接收该地址

realloc也能单独实现开辟动态内存空间，与malloc相似

第一个参数为空指针时，realloc就会开辟size个字节大小的空间并返回该空间的起始地址

如：

int main()
{
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

常见的动态内存错误

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
         //需要进行p是否是空指针的判断
 free(p);//free之后记得将p置为空指针
}

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);
}

对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
         //不可以，上面讲到了
}

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
    for (int i = 0; i < 25; i++)
    {
         p++;
    }
    //跳出循环时，p已经指向动态内存空间之后的位置了
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，此时free会出错
}

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
}

程序出错：

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。

几个经典的笔试题

题目1：

void GetMemory(char *p) {
 p = (char *)malloc(100);//动态内存开辟了100个字节
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);//欲使str指向动态开辟的空间
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

str是值传递，进入GetMemory函数内部时，指向动态内存空间的是p，str并没有指向这块空间

所以str还是一个空指针，此时使用strcpy会导致读取错误

结果不会打印hello world：

malloc开辟空间后，最好对p进行判断来确定开辟空间是否开辟成功

并且需要及时free

修改1：

char* GetMemory(char *p) {
 p = (char *)malloc(100);//动态内存开辟了100个字节
    return p;
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 str = GetMemory(str);//欲使str指向动态开辟的空间
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

修改2：

void GetMemory(char **p) {
 *p = (char *)malloc(100);//动态内存开辟了100个字节
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str);//欲使str指向动态开辟的空间
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
        free(str);
    str = NULL;
}

题目2：

char *GetMemory(void) {
 char p[] = "hello world";
 return p; }
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();//欲使str指向p数组
 printf(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

结果：

分析：函数GetMemory返回了p数组的地址，但p数组是一个临时数组，当GetMemory函数调用结束时，该数组就销毁了，空间也同时被释放，所以虽然str指向了p数组的地址，但此时这块空间已经被释放了，所以str指向的位置是未知的，打印出来的结果也就是随机的

如果char p[] = "hello world"换成char *p = “hello world”，结果就会成功打印hello world，因为hello world是一个常量字符串，有固定的存储位置，p代表的只是它的地址，所以只要把地址成功传给了str，就能成功打印hello world，不用担心p是否被释放

题目3：

void GetMemory(char **p, int num) {
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);//使str指向动态内存开辟的空间
 strcpy(str, "hello");//把hello放入动态空间中
 printf(str);//结果打印hello
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

结果：

代码运行没有问题，但是执行完后并没有释放已经开辟的动态内存空间，会造成内存泄漏

应该在使用完后再释放掉动态内存空间：

free(str);
str = MULL;

题目4：

void Test(void) {
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);//未达到效果就将动态内存空间释放了
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

结果：

str指向的动态内存空间已经被释放了，所以再使用strcpy会造成非法访问内存

虽然此时依旧能够打印world，但strcpy所拷贝的空间是未知的，可能是已经存放了数据的空间，此时就会造成混乱

因此，记住free(str)后把str置为NULL

C/C++程序的内存开辟

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

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），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁

所以生命周期变长。

柔性数组

也许你从来没有听说过**柔性数组（flflexible 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：

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;

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。

比如上面的type_a，sizeof计算的只有i的大小，所以结果是4，不包括柔性数组的大小
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。

例如：

//code1
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

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。

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));
//sizeof(type_a)是为i开辟的空间，100*sizeof(int)是为柔性数组开辟的空间
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++) {
 p->a[i] = i; //给柔性数组的内容赋值
}
free(p);

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。

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;//创建一个指向整型数组的指针
}type_a;

int main()
{
type_a *p = malloc(sizeof(type_a));//创建动态内存空间存放type_a,并创建结构体指针p指向该空间
p->i = 100;//将结构体中的i赋值100
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));//创建动态内存空间存放一个100个int类型的数组
    //将结构体中的指针指向该空间
//业务处理
    int i = 0;
for(i=0; i<100; i++) {
 p->p_a[i] = i; }
//释放空间
free(p->p_a);//先释放整形指针指向的动态内存空间（存放数组）
p->p_a = NULL;
free(p);//再释放结构体指针p指向动态内存空间（存放结构体）
p = NULL;
    return 0;
}