[C语言学习笔记]--动态内存管理

Posted 2021-08-20 八只脚抠脚

为什么存在动态内存分配

在C语言中我们常见的内存开辟方式有

int n = 10;//在栈空间上开辟四个字节的空间
int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40个字节连续空间

但是上述开辟空间的方式存在以下特点：

1.开辟空间的大小是连续的。
2.开辟的空间大小是固定的。 但是对于空间的需求，不仅仅只需要上述的情况。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。这个时候就需要动态内存开辟了。

动态内存函数

malloc函数

C语言提供了一个动态内存开辟的malloc函数。

void* malloc(size_t size);
//返回值的类型是`void*`,所以使用者可以根据自己的需求来决定所开辟空间的类型。
//size为要开辟空间的大小单位为字节

这个函数在堆区申请一块连续可用的空间。

1.若开辟空间失败，则返回一个NULL指针。
2.若开辟成功，则返回一个指向开辟好的空间的指针。 因此，在应用malloc函数开辟空间时，我们需要对它的返回值进行检查，避免开辟空间失败的情况。

free函数

free函数用来释放动态开辟的内存。动态开辟的内存一定要主动释放，否则会出现内存泄露的问题。

注：
如果指针p指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
如果指针是NULL指针，则函数什么事情都不用做。

malloc函数与free函数的应用

int main()
{
	int arr[10];//这是在栈区开辟的内存空间
	
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int)*10);//动态内存开辟的//malloc申请连续可用的空间。并返回指向该空间的指针
	if (p == NULL)//判断是否开辟成功
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
 
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
 
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//回收空间
	free(p);//只能释放动态开辟的空间和malloc成对出现
	p = NULL;//将p置为NULL指针的目的是为了防止被释放后的非法访问
	return 0;
}

calloc函数

calloc函数也是用来动态内存分配。原形如下：

void* calloc(size_t num,size_t size);

函数的功能是开辟num个空间大小为szie的空间，并会把空间的每个字节初始化为0；
函数的应用：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if(NUll == p)
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
	//使用空间
	
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0 ;
}

realloc函数

在动态开辟内存时有时候我们会发现开辟的空间太小或者太大，为了合理的使用内存，就可以使用realloc函数对开辟的内存空间进行调整。
realloc函数的原型如下：

void* realloc(void* ptr,size_t size);
//其中ptr为要调整的内存地址 size为调整之后的空间大小 返回值为内存的起始地址

开辟空间时具有以下两种情况：

常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

2、对动态开辟的内存的越界访问

3、使用free释放非动态开辟的空间

使用free释放动态内存中的一部分

5、对同一个动态内存地址多次释放

6、动态开辟的空间忘记释放

动态开辟的内存有两种释放方式：
1.主动free
2.程序结束
因此如果忘记释放空间会导致内存泄露的问题、因此要注意主动free掉动态开辟的空间。

经典笔试题

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);//printf接收的就是字符串的地址
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

str传给GetMemory函数是传值，所以形参p只是临时拷贝,在函数内申请的空间，存在p中，不会影响外边的str所以当函数返回之后 ，str依然是NULL所以strcpy会失败
当函数返回值时，p会销毁，会出现内存泄露

改正：放回p的地址，并主动free

char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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

题中p是在栈区开辟的内存空间，当GetMemory函数结束时就会被释放因此导致非法访问。
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);
}

题中动态开辟的内存没有释放，出现内存泄露。
改正：主动free掉动态开辟的内存

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);
}

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

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

题中的问题是，释放完动态开辟的内存后，再次访问该内存，导致非法访问。
改正：每次释放内存之后将指针置为NULL指针

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

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

C/C++程序的内存开辟

栈区（satck）:在执行函数时，函数的局部变量的存储空间就是在栈上创立，函数执行结束时这些存储单元就会被释放。栈区主要存放运行函数而分配的局部变量，函数参数，放回数据，返回地址等。
堆区（heap）：动态开辟的存储空间就是在堆区开辟的。堆区一般又程序员分配、释放。若程序员不释放，程序结束时会被操作系统回收。
数据段（静态区）：（static）存放全局变量和静态数据。程序结束后被系统释放。
代码段：存放函数体的二进制代码。

柔性数组

定义：在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。例如：

struct MyStruct
{
	int n;
	int arr[];//该数组的大小是未知
};

柔性数组的特点

1、结构体中的柔性数组成员前至少有一个其他成员。
2、sizeof返回的这种结构体大小不包括柔性数组的大小。（如上例中的结构体大小就是整型数据n的大小，其大小为4个字节。）
3、包含柔性数组的结构体成员用malloc函数进行内存的动态分配，通常分配的内存大小应该大于结构体的大小。

分配方式如下：

struct MyStruct
{
	int n;
	int arr[0];
};

int main()
{
	//期望arr的大小是10int后面数组的大小是可控的
	struct MyStruct* ps = malloc(sizeof(struct MyStruct) + 10 * sizeof(int));
	//使用空间
	//释放空间
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}