C语言进阶动态内存管理
Posted Huang_ZhenSheng
tags:
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语言进阶动态内存管理相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
目录
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：
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
动态内存函数介绍
1.malloc函数
C语言提供了一个动态内存开辟的函数
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。
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。
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：
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。
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//假设开辟10个整形的空间
//int arr[10];
//动态内存开辟的
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//void*
//使用这些空间的时候
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]);//P[i]-->*(P+i)
}
//回收空间
free(p);
p = NULL;//自己手动把p设置为NULL
return 0;
}
2.Calloc函数
函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并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每个字节初始化为全0。
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
首先跟malloc函数对比下：
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。
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在调整内存空间的时候存在两种情况：
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：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。
int main()
{
//假设开辟10个整形的空间
//int arr[10];
//动态内存开辟的
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//void*
//使用这些空间的时候
if (p == NULL)
{
perror("main");
return 0;
}
//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,200*sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
}
//回收空间
free(p);
p = NULL;//自己手动把p设置为NULL
return 0;
}另一种情况：
int main()
{
int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//这里的功能类似malloc，就是直接在堆区开辟40个字节
return 0;
}常见的动态内存错误
1.对NULL指针的解引用操作
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
//对malloc函数的返回值，做判断
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\\n",*(p+i));
}
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;
//越界范围
for (i = 0; i < 40; i++)
{
*(p + i) = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}3.使用free释放分动态内存开辟的空间
int main()
{
int arr[10] = { 0 };//栈区
int* p = arr;
free(p);//使用非动态开辟的空间
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
6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）（具体看下面的例子）
几个经典的笔试题(高质量的C/C++编程)
请问运行Test 函数会有什么样的结果:
第一题：
void G(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
G(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}str传给G函数的时候是值传递，所以G函数的形参P是str的一份临时拷贝。
在G函数内部动态申请空间的地址，存放在P中，不会影响外边的str，所以当G函数返回之后，str依然是NULL，所以strcpy会失败。
当G函数返回后，形参P销毁，使得动态开辟的100个字节存在内存泄露，无法释放。
如何修改？
方法1：
char* G(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
return p;//返回的地址在堆上
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = G(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}方法2：
char* G(char** p)
{
*p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
G(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}第二题：
返回栈空间地址的问题
char *G(void)
{
char p[] = "hello world";//在栈上面开辟的空间，除了空间就被销毁了
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = G();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
G函数内部创建的数组是在栈上创建的，出了函数，p数组的空间就还给了操作系统，返回它的地址是毫无实际意义的，如果通过返回的地址访问内存，就是非法访问内存。
第三题：
无free问题
void G(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
G(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}第四题：
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虽然记得地址，但是空间已经释放给操作系统了，再想拷贝world进去，已经没办法了
C/C++程序的内存开辟
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。
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
struct S
{
int n;
int arr[0];//大小是未知的
};
int main()
{
//期望arr的大小是10个整形
malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
return 0;
}例子1：(柔性数组)
struct S
{
int n;
int arr[0];//大小是未知的
};
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));
ps->n = 10;
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;
}
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
例子2：开辟了两次，释放了两次（不是柔性数组）
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
return 1;
ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(struct S));
if (ps->arr == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//增加
int* ptr = realloc(ps->arr, 20, sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
ps->arr = ptr;
}
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
柔性数组的优势：
1.方便内存的释放
2.连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片
扩展阅读：C语言结构体里的成员数组和指针
以上是关于C语言进阶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
⭐️欢度国庆-共约C语言进阶⭐️ 动态内存管理+柔性数组 建议收藏