C语言篇 + 内存管理及柔性数组话题

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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语言篇 + 内存管理及柔性数组话题相关的知识，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

为什么存在动态内存分配
首先我们先了解一下内存中的几个区域
栈区、堆区、静态区

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。

动态内存函数的介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数，它的函数原型是这样的

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，并不会初始化空间。
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：
C语言提供了一个动态内存释放的函数，它的函数原型是这样的

free函数的注意事项

  • 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。

举例一

int main()
{

	int a[10] = {0};
	int *p = a;
	//那free函数的行为是未定义的。 
	free(p);//err
	return 0;
}

举例二


int main()
{
	int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
	free(p);
	p = NULL;
	//如果参数 ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

正确使用

void test() 
{
	int i = 0;
	//动态申请
	int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
	//申请失败
	if (p == NULL) 
	{
		printf("malloc file\\n");
		exit(-1);
	}
	//申请成功
	else 
	{
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}

		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d\\n", *(p + i));
		}
	}
	//释放堆上的申请的空间，指针置空
	free(p);
	p = NULL;
}

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

值得一提的是，这里的释放完了必须得将指针置空，如果指针不置空，那么这个指针将会会成为野指针！野指针是一种很可怕的事情，并且错误不好排查，回到主体，很明显执行完free后内存已经释放了，内存也归还给操作系统了，可是指针还指向这块空间，不属于你的内存是不允许访问的，访问了就得受到惩罚(程序崩溃)

释放完了，习惯性地将指针置空，这样才是最安全的，指针间的关系已经被切断了

calloc

  • 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。
int mian()
{
	int *p = (int *)calloc(10,sizeof(int));
	//申请失败
	if (p == NULL) 
	{
		printf("%s\\n",strerror(errno));
		exit(-1);
	}
	return 0;
}

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，从调试窗口中很好观察

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

在第一种情况下，释放原来的块。在第二种情况下，原始块没有变化。返回值指向一个存储空间，该存储空间保证对任何类型的对象进行适当的对齐
如果函数未能分配请求的内存块，则返回一个空指针，并且参数ptr指向的内存块没有被释放(它仍然有效，内容没有改变)。

  • 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。

void test() 
{
	int i = 0;
	//动态申请
	int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
	//申请失败
	if (p == NULL) 
	{
		printf("malloc file\\n");
		exit(-1);
	}
	//申请成功
	
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}

	int *pt = (int *)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//申请成功
	if (pt != NULL)
	{
		//p去维护新的空间
		p = pt;

		//初始化后面的10块空间
		for (int i = 10; i < 20; i++) 
		{
			*(p + i) = i;
		}
		//打印
		for (int i = 0; i < 20; i++)
		{
			printf("%d ",*(p + i));
		}
	}
	else //如果ptr开辟失败，p还是维护自己原本的空间
	{
		
		//打印
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
		
	}

	//释放空间，指针置空，防止内存泄漏和野指针
	free(p);
	p = NULL;
}

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

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
	 free(p);
}

未加检查，如果动态内存开辟失败返回的是NULL指针，对空指针解引用程序会崩，并且free也不会工作

对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int i = 0;
	int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
	//开辟失败
	if(NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//开辟成功
	for(i=0; i<=10; i++)
	{
		*p++ = i;
		//*(p + i) = i;   p自己没有变
		//p[i] = i;  等价上面
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

return;
}

这里的p++，使得p的指向发生了变化，他已经不再指向这块内存的起始地址了，跑远了，修正方法很简单*(p + i) = i，p自身并没有改变，只是p的步子越迈越大

对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
}

错误，free只能释放动态申请的内存

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
}

只是从第二块空间开始释放的

前面这块空间并没有别释放，就会导致内存泄漏

对同一块动态内存多次释放

void test()
{
	//错误写法，同一块内存不能释放多次
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 free(p);//重复释放

//正确释放
int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 p = NULL;
 free(p);//p 为NULL free就不会执行
 p = NULL;
}

同一块内存不能多次释放

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();

}

test函数被调用完内存并未归还给操作系统，这是因为动态申请的内存没有释放free§ 后再将p置空

几个经典的笔试题

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);
}

看这一组，代码看上去有一种迷惑行为，先将str置空指针，再调用GetMemory(char *p)函数接受这个空指针，此时指针变量p也是指向空，值得一提的是一级指针传递给一级指针，形参是实参的一份临时拷贝，p的改变并不会影响外面的str，所以str还是一个空指针，
strcpy(str, “hello world”);将hello world拷贝给str会对空指针解引用这就会导致程序崩溃，

解决方案：二级指针

void GetMemory(char **p) {
//传址调用，改变外面的str指向
 *p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);

传二级指针，里面的p的改变就会影响外面的str，strcpy(str, “hello world”);对str解引用就可行，

解决方案：返回指针

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);
}

利用返回值改变str的指向，str不再指向空，

题目二

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

str = GetMemory(); 这行代码是在调用GetMemory，当GetMemory调用完了就会返回一个指针变量，他是一个局部变量，局部变量出了作用域就会被销毁了，此时的GetMemory函数中的p在返回回来就是一个野指针了，野指针指向哪里是不确定的，当在打印的时候就会是随机值

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);
}

这段代码并不存在导致程序崩溃的问题，但是有一个内存泄漏的问题，str指向的内存并没有被释放

题目4：

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

很明显这段程序的错误就是str指向的空间被释放了，但是str并没有置为空指针，但是str还是能够记得上一次存放的地址，继续将world存放进这段内存中，打印出来的是word，

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

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

  • 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
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。
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

首先可以看到这是一次包含柔性数组的结构体声明，并创建了一个结构体变量，包含柔性数组的结构体也存在内存对齐，并且在sizeof计算的时候，结构大小不包括柔性数组的内存。

柔性数组的使用

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

void func() 
{
	struct st_type *p = (struct st_type *)malloc(sizeof(struct st_type) + sizeof(int) * 10);
	//开辟失败
	if (!p)
	{
		printf("%s\\n", strerror(errno));
		exit(-1);
	}
		//申请成功
	else 
	{
		//初始化结构体成员
		p->i = 10;
		int i = 0;
		for (; i < 10; i++) 
		{
			p->a[i] = i;
		}
		//打印
		i = 0;
		for (; i < 10; i++) 
		{
			printf("%d ", p->a[i]);
		}
	}
	
	//想到扩容怎么办,注意这里扩容的话要扩容的是整个结构体大小，并不是只扩容数组的大小
	struct st_type *ptr = (struct st_type *)realloc(p,sizeof(struct st_type) + sizeof(int) * 20);
	//开辟成功，ptr去维护新的空间，旧的空间被释放
	if (ptr != NULL) 
	{
		int j = 10;
		for (;j < 20; j++⭐️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 


 C语言——动态内存管理经典笔试题+柔性数组


 剖析c语言动态内存管理


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 浅谈C语言的动态内存开辟