C语言学习笔记（16）动态内存管理

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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C语言学习笔记（16）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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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 va1 = 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。这时就需要用到动态内存开辟了。

动态内存函数的介绍

malloc和free

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。

  1. 如果开辟成功， 则返回一个指向开辟好空间的指针.
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

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。
  • 如果参数ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。

例

#include <stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{	
	//动态内存开辟的
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
		return 0;
	}
	//使用
	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);
	p = NULL;//自己动手把p置为NULL

	return 0;
}

calloc

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。
#include <stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
		return 1;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\\n", *(p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

realloc

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。

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

  1. ptr是要调整的内存地址.
  2. size调整之后新大小.
  3. 返回值为调整之后的内存起始位置。
  4. 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
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:原有空间之后没有足够大的空间
原有空间之后没有足够多的空间时需要扩展，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。

例

#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

	if (p == NULL)
	{
		perror("main");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = 5;
	}
	//这里需要p指向的空间更大，需要20个int的空间
	//realloc调整空间

	int*ptr = (int*)realloc(p, 20*sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

常见的动态内存错误

1.对空指针解引用操作

int main()
{
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	*p=20;//如果p=NULL就会存在问题
	free(p);
	return 0;
}

2. 对动态开辟空间的越界访问

 int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//越界访问 
	for (i = 0; i < 40; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3. 使用free释放非动态开辟的空间

 int main()
 {
 	int arr[10] = { 0 };//栈区
 	int* p = arr;
 	//使用
 	
 	free(p);//使用free释放非动态开辟的空间
 	p = NULL;
 
 	return 0;
 }

4. 使用free释放动态内存中的一部分

int main()
{
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;

	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p++ = i;
	}
	
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

5. 对同一块动态开辟的空间，多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//使用
	//释放
	free(p);
	
	//释放
	free(p);
	return 0;
}

6. 动态开辟的空间忘记释放

会造成内存泄漏

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return;
	}
	//使用
}

int main()
{
	test();
	//....
	return 0;
}

几个经典的笔试题

1.下面代码存在什么问题

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;
}

str传给GetMemory函数的时候是值传递，GetMemory函数接收的p是str的一份临时拷贝。GetMemory函数内部开辟的动态内存地址存放在p中，对外部的str没有影响，所以当GetMemory函数返回是str还是NULL，strcpy会失败。
当GetMemory函数返回之后，形参p销毁，使得动态开辟的100个字节存在内存泄漏，无法释放。

上述代码可做如下修改
1.

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);
}

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

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;
}

2.下面代码存在什么问题

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

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

GetMemory函数创建数组p是在栈上创建的，出了函数，p数组的空间就还给了操作系统，返回的地址是没有意义的，如果通过返回的地址去访问内存就会造成非法访问。

’3.下面代码存在什么问题

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;
}

没有释放开辟的空间

可修改为

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;
}

’4.下面代码存在什么问题

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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

str被释放了还去访问内存，造成非法访问
应该在释放后，让其指向空指针。

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

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0S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。

了解C/C++程序内存分配，可以帮助我们更好理解static关键字修饰局部变量的例子。

  1. 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。
  2. 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

struct S
{
	int n;
	int arr[];//大小是未知
};
//或
struct S
{
	int n;//4
	int arr[0];//大小是未知
};

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。

例

typedef struct type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a
printf("%d\\n",sizeof(type_a));

柔性数组的使用

struct S
{
	int n;
	int arr[];//大小是未知
};
int main()
{
	//期望arr的大小是10个整形
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
	//柔性数组成员arr，相当于获得了10个连续整型空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	//增加
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)+20*sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		ps = ptr;
	}
	
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

柔性数组的优势

上述柔性数组代码也可写为

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
		return;
	ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ps->arr == NULL)
		return;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	//增容
	int* ptr = realloc(ps->arr, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		ps->arr = ptr;
	}

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

比较上面两类代码，可以发现柔型数组有两个优势

一.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

以上是关于C语言学习笔记（16）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

《深入理解C指针》学习笔记--- 指针之外

C语言学习笔记 —— 内存管理

C语言学习笔记 —— 内存管理

C语言学习笔记--动态内存分配

玩转C语言动态内存，轻松管理动态内存空间

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