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C语言：（动态内存管理）

news 来源：原创 2024/9/29 3:22:15

动态内存有什么用呢

malloc函数

开辟失败示范

free函数

calloc函数

realloc函数

当然realooc也可以开辟空间

常⻅的动态内存的错误

对NULL指针的解引⽤操作

对动态内存开辟的空间越界访问

对⾮动态开辟内存使⽤free释放

使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

对同一块动态内存空间多次释放

动态内存开辟的空间忘记释放（内存泄露）

动态内存的笔试题分析

题目1

题目2

题目3

题目4

柔性数组

柔性数组的特点：

第一种代码

第二种代码

C/C++程序内存分配的⼏个区域：

动态内存有什么用呢

int main()
{int a;//在栈空间开辟4个字节int arr[10] = { 0 };//在栈空间开辟10个字节的连续空间
}

上面这种开辟空间有2个缺点

1.空间开辟的大小是固定的。

2.数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，数组空间一旦确定了大小就不能调整

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。
C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间，就⽐较灵活了。

malloc函数

开辟空间函数需要的头文件

#include<stdlib.h>

内存开辟的空间都是在堆区上的

C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数：

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。

mallo申请的空间和数组申请的空间有什么区别呢？

1.开辟的空间可以调整大小

2.开辟的位置不一样

int main()
{//申请10个整行的空间int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));//判断pif (p == NULL){//是NULL就申请失败//打印报错信息perror("malloc");return 1;}//下面就是使用开辟的40字节//循环赋值for (int i = 0; i < 10; i++){//p从0地址开始赋值，i从1开始*(p + i) = i + 1;}
}

开辟失败示范

free函数

malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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是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。

//释放开辟的空间free(p);//p指向了被释放的空间，会变成野指针//所以需要搞成空指针 NULLp = NULL;

如果开辟的空间不释放的话，程序结束会被操作系统回收

但是程序还没结束前会浪费很多内存空间

free只能释放动态内存开辟的空间

malloc和free最好成对使用

calloc函数

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。原型如下：

void* calloc（size_t num,size_t size）;

1.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。
2.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。

calloc函数是已经算好的，而malloc需要算

int* p = (int*) malloc(10 * sizeof(int));

int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

这2个有什么区别呢，malloc不会初始化，而calloc会初始化为全0

如果不想初始化用malloc，想初始化用calloc

malloc不会初始化

而calloc会初始化为全0

realloc函数

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

realloc可以调整内存地址。

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。

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

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。

realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行

int main()
{//申请10个整行的空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//判断pif (p == NULL){//申请失败报错perror("calloc");return 1;}//所以空间for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);}//调整空间—希望变成20个整行的空间//realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行int* ret = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//要判断是不是NULL，如果不判断，又等于NULL，则会把旧空间的数据全部赋值空if (ret != NULL){//把新空间的地址赋值给pp = ret;}//使用//.....//释放free(p);p = NULL;return 0;}

当然realooc也可以开辟空间

realloc（NULL,40）等价于malloc(40)

int main()
{int*p=(int*)realloc(NULL,40);//==malloc(40)if (p == NULL){}return 0;
}

常⻅的动态内存的错误

对NULL指针的解引⽤操作

p如果是NULL就是对NULL解引⽤，这样是错误的

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//使用for (int i = 0; i < 10; i++){//如果是NULL就是对NULL解引⽤p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)}free(p);p = NULL;return 0;
}

我们需要进行判断是不是NULL，这样就可以避免对NULL指针的解引⽤操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//进行判断是不是空指针if (p == NULL){//是就报错perror(malloc);return 1;}//使用for (int i = 0; i < 10; i++){//如果是NULL就是对NULL解引⽤p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)}free(p);p = NULL;return 0;
}

对动态内存开辟的空间越界访问

我们可以看到只开辟了10个整行的空间，循环访问40个整行，造成了越界访问

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror(malloc);return 1;}//使用for (int i = 0; i < 40; i++){p[i] = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}

对⾮动态开辟内存使⽤free释放

free对⾮动态开辟内存，会报错

int main()
{int a = 10;int* p = &a;//...free(p);p = NULL;
}

使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

为什么会报错呢，因为free释放空间是从首地址开始释放的

当p加到10了，p就已经不是首地址了，就无法释放空间了

我们可以创建一个新的指针变量来加。

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror(malloc);return 1;}//使用for (int i = 0; i < 10; i++){*p = i;p++;}//释放动态内存free(p);p = NULL;return 0;
}

对同一块动态内存空间多次释放

当第一个free释放空间然后把p赋值NULL

第二个free释放空间，释放的是空指针当然是没有问题的

当第一个free释放空间没有把p赋值为NULL

第二个free释放的就是野指针了，就会报错了

所以把p赋值为NULL还是有必要的

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror(malloc);return 1;}//使用free(p);//....free(p);p = NULL;return 0;
}

动态内存开辟的空间忘记释放（内存泄露）

当在函数里开辟了100个字节的空间，a等于1提前返回了，没有释放空间

后面还有很多代码，以后就没办法释放了，就导致内存泄露了

忘记释放不再使⽤的动态开辟的空间会造成内存泄漏。
切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

void add()
{int a = 1;int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return;}if (a == 1){return 1;}free(p);p = NULL;}
int main()
{add();//假设后面还有很多代码return 0;
}

动态内存的笔试题分析

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

1.把字符串放到str相当于对NULL解引⽤操作，程序会崩溃。
2.存在内存泄露。

解决办法

就是返回p的地址，然后释放开辟的内存

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

题目2

我们可以发现返回了p的地址，
但是出了这个GetMemory函数外就被操作系统回收了，str就变成野指针了。

这是返回栈空间的问题，进这个函数创建，出这个函数销毁，可以返回变量，但不能返回地址

char* GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}
void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}int main()
{Test();return 0;
}

题目3

这个代码存在内存泄露

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;
}

题目4

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

柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible?array）这个概念，但是它确实是存在的。
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。

柔性数组不是结构体，是结构体里面的一个成员

struct a
{int a;char b;double c;int arr[0];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

struct a
{int a;char b;double c;int arr[];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};

柔性数组的特点：

1.结构中的柔性数组成员前⾯必须⾄少⼀个其他成员。
2.sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。
3.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。

第一种代码

下面这个代码我们可以看到sizeof计算结构体大小不包含柔性数组

进行判断是不是NULL，是就报错

结构体的a赋值100，结构体赋值1到20

调整柔性数组srr的空间，把arr的80个字节调整为160字节，然后判断是不是空，是就把p的地址给str

打印空间里的数值，然后释放空间

struct a
{int a;int arr[];//柔性数组
};
int main()
{//                                 4个字节            80个字节struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a) + 20 * sizeof(int));//判断是不是空if (p == NULL){perror(malloc);return 1;}//使用p->a = 100;//arr是数组用下标访问for (int i = 0; i < 20; i++){p->arr[i] = i+1;}//调整开辟的空间struct a *str = (struct a*)realloc(p, sizeof(struct a) + 40 * sizeof(int));if (str != NULL){str = p;p = NULL;}else{return 1;}//打印for (int i = 0; i < 40; i++){printf("%d ", str->arr[i]);}//释放空间free(str);str = NULL;return 0;
}

第二种代码

我们可以发现第二种代码使用了2次malloc函数，上面那第一种只用了一次malloc

这就是柔性数组的特点

struct a
{int a;int *arr;
};
int main()
{//开辟了结构体的空间struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a));//判断是不是空if (p == NULL){perror(malloc);return 1;}//开辟一块整行空间int* str = (int*)malloc(20 * sizeof(int));//不是空if (str != NULL){//把新开辟的空间的地址赋值给p->arrp->arr = str;}else{return 1;}//给a赋值100p->a = 100;//给arr数组赋值1到20for (int i = 0; i < 20; i++){p->arr[i] = i + 1;}//调整空间，调整p->arr的空间,调整为40个整行str = (int*)realloc(p->arr, 40 * sizeof(int));//判断是不是空if (str != NULL){p->arr = str;}else{return 1;}//打印for (int i = 0;i < 20; i++){printf("%d ", p->arr[i]);}//释放空间free(p->arr);p->arr = NULL;free(p);p = NULL;return 0;
}

上述代码1 和代码2 可以完成同样的功能，但是⽅法1 的实现有两个好处：

第⼀个好处是：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⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次free就可以把所有的内存也给释放掉。

第⼆个好处是：这样有利于访问速度.

连续的内存有益于提⾼访问速度，也有益于减少内存碎⽚。（其实，我个⼈觉得也没多⾼了，反正你跑不了要⽤做偏移量的加法来寻址）

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,可以看看《函数的栈帧的创建和销毁》
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（操作系统）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。