C语言进阶——动态内存管理

目录

一、为什么存在内存分配

二、动态内存函数

1、malloc

2、free

3、calloc

4、realloc

三、常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

2、对动态开辟空间的越界访问

3、使用free释放非动态开辟内存

4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

5、对同一块动态内存多次释放

6、动态开辟内存忘记释放

四、几个经典笔试题

五、C/C++程序的内存开辟

1、栈区(stack)

2、堆区(heap)

3、数据段

4、代码段

六、柔性数组

1、柔性数组的特点

2、柔性数组的使用

3、柔性数组的优势

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一、为什么存在内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int val=20;//在栈空间上开辟4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

●数组在声明时，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内存开辟了。

二、动态内存函数

1、malloc

c语言提供了一个动态内存开辟的函数。

语法：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。

●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的返回值一定要检查

●返回值类型是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的行为是标准未定义的，取决于编译器

2、free

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。

语法：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，则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

注：

●malloc和free函数都声明在stdlib.h头文件中。

●malloc和free成对出现

例：

int main()
{
    int arr[10];
    int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));//将返回类型void*强制转换为int*
    if(p==NULL)
    {
       printf("malloc error\n");//perror("main");
       return 0;
    }
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        *(p+i)=i;
        printf("%d ",p[i]);
    }
    free(p);
    p=NULL;//需要手动置空
    return 0;
}

3、calloc

C语言还提供了一个用来动态内存分配的函数calloc。

●语法：void* calloc(size_t num,size_t size);

●函数的功能为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

4、realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时我们发现过去申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间太大了。为了合理的使用内存，我们会对内存的大小做灵活地调整，那realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

●语法：void* realloc(void* ptr,size_t size);

●ptr是要调整的内存地址，size是调整之后新大小，返回值为调整之后的内存起始地址

●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在调整内存空间时存在两种情况：

情况1:原有空间之后有足够大的空间，这时就要扩展内存，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，这时就要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。

三、常见的动态内存错误

1、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);
}

2、对动态开辟空间的越界访问

void teat()
{
    int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));
    if(p==NULL)
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for(int i=0;i<=40;i++)
    {
       *(p+i)=i;
    }
    free(p);
    p=NULL;
}

3、使用free释放非动态开辟内存

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

4、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=NULL;
}

5、对同一块动态内存多次释放

void test()
{
    int* p=(int*)malloc(100);
    free(p);//第一次free后,置成空，再free一次就没问题
    free(p);
}

6、动态开辟内存忘记释放

忘记释放不再使用的动态开辟的内存空间会造成内存泄漏

void test()
{
    int* p=(int*)malloc(100);
    if(p!=NULL)
    {
       *p=20;
    }
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

四、几个经典笔试题

例1：请问运行Test函数会有什么结果？

void GetMemory(char* p)
{
   p=(char*)malloc(100);
}
void test(void)
{
   char* str=NULL;
   GetMemory(str);//值传递,getmemory函数没有影响str的值
   strcpy(str,"hello world");//这时str仍然是空指针
   printf(str);
   //没有释放
}

例2：请问运行Test函数会有什么结果？

char* GetMemory(void)
{
   char p[]="hello world";//p是临时变量
   return p;//函数结束,p生命周期结束,p就被释放了
}
void Test(void)
{
   char* str=NULL;
   str=GetMemory();//str仍然为NULL
   printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

 例3：请问运行Test函数会有什么结果？

void GetMemory(char* p,int num)
{
   *p=(char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char* str=NULL;
    GetMemory(&str,100);
    strcpy(str,"hello");
    printf(str);
    //没有free
}

 例4：请问运行Test函数会有什么结果？

void Test(void)
{
   char* str=(char*)malloc(100);
   strcpy(str,"hello");
   free(str);//提前释放,str没有置空
   if(str!=NULL)//非法访问
   {
       strcpy(str,"world");
       printf(str);
   }
}

五、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。栈区主要存放陨星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OD回。分配方式类似于链表。

3、数据段

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（类成员变量和全局函数）的二进制代码。

六、柔性数组

在C99中，结构中的最后一个元素允许是位置大小的数组，这就叫做柔性数组成员。

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

1、柔性数组的特点

●结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员

●sizeof返回这种结构大小不包括柔性数组成员

●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 S
{
   int i;
   int a[0];//柔性数组成员
}s;
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(s));//输出的是4
    struct S* ps=(struct* S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));
    return 0;
}

2、柔性数组的使用

//代码1
int i=0;
s* p=(s*)malloc(sizeof(s)+100*sizeof(int));
p->i=100;
for(i=0;i<100;i++)
{
   p->a[i]=i;
}
free(p);

3、柔性数组的优势

上述的s结构也可以设计为

//代码2
typedef struct st_type
{
   int i;
   int *p_a;
}s2;
s2* p=(s2*)malloc(sizeof(s2));
p->i=100;
p->p_a=(int*)malloc(p->i*sizeof(int));
 
//业务处理
for(i=0;i<100;i++)
{
   p->p_a[i]=i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a=NULL;
free(p);
p=NULL;

 代码1和代码2可以完成一样的功能，但是代码1有两个好处：

1、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情。因此，我们把结构体的内存以及成员要的内存一次性分配好，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给释放掉。

2、有利于访问速度

连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。