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【C语言】一节课拿捏---动态内存分配

news 来源：原创 2024/9/29 17:34:59

谢谢观看！希望以下内容帮助到了你，对你起到作用的话，可以一键三连加关注！你们的支持是我更新地动力。
因作者水平有限，有错误还请指出，多多包涵，谢谢！

目录

  • 一、 为什么要有动态内存分配
  • 二、`malloc`和`free`
    • 2.1`malloc`
    • 2.2`free`
  • 三、`calloc`和`realloc`
    • 3.1`calloc`
    • 3.2`realloc`
  • 四、 常见的动态内存的错误
    • 4.1对NULL指针的解引用操作
    • 4.2对动态开辟空间的越界访问
    • 4.3对非动态开辟内存使用`free`释放
    • 4.4 使用`free`释放一块动态开辟内存的一部分
    • 4.5对同一块动态内存多次释放
    • 4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
  • 五、动态内存经典笔试题分析
    • 题目1
    • 题目2
    • 题目3
    • 题目4
  • 六、柔性数组
    • 6.1 柔性数组的特点：
    • 6.2 柔性数组的使用
    • 6.3 柔性数组的优势
  • 七、总结C/C++中程序内存区域划分

一、 为什么要有动态内存分配

  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：

  • 空间开辟大小是固定的。
  • 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小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会根据实际情况发生变化，如果使用数组的话，可能开辟的空间太大，也可能开辟的空间不够，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

  所以在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。这就需要使用到库函数来进行申请内存空间了。

  

二、malloc和free

2.1malloc

  C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);
//size表示需要申请的一块空间大小是多少，单位是字节
//void*表示返回那一块空间的起始位置的地址

  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。

  注意事项：

  • 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
  • 使用函数malloc之前需要加上头文件#include<stdlib.h>

  具体使用方式：

//代码一
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
char* p = (char*)malloc(10*sizeof(char));//代码二
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));if(p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");//perror函数会打印出错误信息return 1;//1表示异常返回，在主函数main()中}//可以使用40个字节的空间了int i = 0;for(i = 0;i < 10;i++){scanf("%d",(p+i));//scanf需要的参数是空间的地址}for(i = 0;i < 10;i++){printf("%d ",*(p+i));}return 0;
}

  那么malloc申请的空间和数组的空间有什么区别呢？

  • 动态内存的大小是可以调整的
  • 开辟空间的位置不一样，malloc开辟的空间在堆区，数组arr开辟的空间在栈区。

在这里插入图片描述

  

2.2free

  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);
//ptr表示形参是指针，传递地址给它
//void *表示传递任何类型的指针都可以

  free函数用来释放动态开辟的内存。

  注意事项：

  • 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。

  具体使用方式：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));if(p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");//perror函数会打印出错误信息return 1;//1表示异常返回，在主函数main()中}//可以使用40个字节的空间了int i = 0;for(i = 0;i < 10;i++){scanf("%d",(p+i));//scanf需要的参数是空间的地址}for(i = 0;i < 10;i++){printf("%d ",*(p+i));}free(p);//动态开辟的空间使用后要进行释放//释放的是指针p指向的空间，使空间归还给操作系统//但是p依然指向着那块空间，还保留着地址，此时p就是野指针了，所以还得对p指针赋值NULLp = NULL;//将NULL赋值给p，表示p是空指针return 0;
}

总结：malloc和free函数最好成对使用

  

三、calloc和realloc

3.1calloc

  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);
//num表示开辟空间的个数
//size表示一个空间的大小是多少，单位是字节
//void* 表示返回所开辟空间的起始地址

  注意事项：

  • 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，其他使用方法和malloc函数一模一样。

  具体使用方式：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{//申请10个整型的空间//int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));if(p == NULL){//空间开辟失败perror("calloc");//perror函数会打印出错误信息return 1;//1表示异常返回，在主函数main()中}//可以使用40个字节的空间了int i = 0;for(i = 0;i < 10;i++){printf("%d ",*(p+i));//结果为：0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 }free(p);//动态开辟的空间使用后要进行释放//释放的是指针p指向的空间，使空间归还给操作系统//但是p依然指向着那块空间，还保留着地址，此时p就是野指针了，所以还得对p指针赋值NULLp = NULL;//将NULL赋值给p，表示p是空指针return 0;
}

  

3.2realloc

  函数原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);
//ptr表示要调整的内存地址
//size表示调整之后新大小
//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。

  具体使用方式：

int main()
{//申请10个整型的空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p+i)}//调整空间-希望变成20个整型空间int* p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//这里对realloc函数返回空间的起始地址传递给指针p是否正确？if (ptr != NULL){p = ptr;}//使用//...//释放free(p);p = NULL;return 0;
}//用法二：realloc不仅可以调整空间，可以开辟空间
int * p = (int *)realloc(NULL,40);
//等价于 int * p = (int*)malloc(10*sizeof(int))

  在上面的代码中的这一部分，我们怎么判断是否正确呢？这就需要了解一下，realloc函数调整内存空间的细节了

//调整空间-希望变成20个整型空间int* p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//这里对realloc函数返回空间的起始地址传递给指针p是否正确？

  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

  注意：情况1和情况2都是正常可以分配空间的情况，如果未分配成功的话，会返回NULL空指针。
在这里插入图片描述
  
  所以通过上面的细节，我们知道了假如realloc函数分配空间失败后返回NULL，然后我们将指针p去接受，会导致我们连原来已经分配好的空间都找不到了，但是我们希望就算分配失败了也不应该将原来的空间都找不到。所以我们可以使用另一个指针ptr去接收它的返回值，然后再进行判断这个指针是否为NULL,如果不是NULL，则再将prt的值赋值给p。

int main()
{//申请10个整型的空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p+i)}//调整空间-希望变成20个整型空间//int* p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));不使用这种方式，有危险int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//ptr不为NULL时，再赋值给pif (ptr != NULL){p = ptr;}//使用//...//释放free(p);p = NULL;return 0;
}

  

四、 常见的动态内存的错误

4.1对NULL指针的解引用操作

//错误写法
void test(){int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题//因为malloc函数可能会分配空间失败返回NULL，然而当对NULL空指针解引用操作*会出错free(p);p=NULL;}//正确写法
void test(){int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);if(p == NULL){perror("malloc");return 1;}*p = 20;free(p);p=NULL;}

4.2对动态开辟空间的越界访问

//错误写法
void test(){int i = 0;int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));if(NULL == p){exit(EXIT_FAILURE);}for(i=0; i<40; i++){*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);}//正确写法
void test(){int i = 0;int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));if(NULL == p){exit(EXIT_FAILURE);}for(i=0; i<10; i++){*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);}

4.3对非动态开辟内存使用free释放

//错误写法
void test()
{int a = 10;int *p = &a;free(p);//ok?//free只能对动态内存处理}

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//错误写法
void test(){int *p = (int *)malloc(100);p++;//此时的p指针并不是指向了动态内存分配的起始地址，而是跳过了4个字节的空间free(p);//p不再指向动态内存的起始位置}

4.5对同一块动态内存多次释放

//错误写法
void test(){int *p = (int *)malloc(100);free(p);free(p);//重复释放,相当于对p野指针进行了释放，这是不允许的}//正确写法
void test(){int *p = (int *)malloc(100);//...free(p);p=NULL;//...free(p);p=NULL;}

4.6 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();while(1);}

  

五、动态内存经典笔试题分析

题目1

//错误写法
void GetMemory(char *p)//p是str的临时拷贝{p = (char *)malloc(100);//后面没有free释放，导致内存泄漏}
void Test(void){char *str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");//str还是空指针，导致了对NULL指针解引用操作，程序崩溃//要知道strcpy的实现printf(str);//这样的写法没有错,是对的,类型于printf("hehe\n")，"hehe\n"是常量字符串，值是首字符的地址}//正确写法
//写法一
void GetMemory(char **p){*p = (char *)malloc(100);}
void Test(void){char *str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "hello world");printf(str);free(str)str = NULL;}
//写法二
void 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;}

题目2

char *GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";//当出了该函数，数组是局部变量，有作用域，空间中的数据会被销毁return p;
}
void Test(void)
{char *str = NULL;str = GetMemory();//虽然str指针接收了字符数组的首元素地址，指向了原来的字符数组空间，但是那空间已经归还操作系统了，不在属于这个程序了//str是野指针了printf(str);
}

  注意：题目2就是典型的错误，返回栈空间地址的问题。

题目3

//错误写法
void GetMemory(char **p, int num){*p = (char *)malloc(num);}
void Test(void){char *str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);//结果可以打印出hello，但是不使用后，要将动态申请的内存空间给释放掉，//所以导致内存泄漏}//正确写法
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;}

题目4

//错误写法
void Test(void){char *str = (char *) malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);//此时str是野指针，但是str还是指向原来的空间if(str != NULL){strcpy(str, "world");//strcpy函数中年会对野指针str进行了解引用操作，非法访问printf(str);}}//正确写法
void Test(void){char *str = (char *) malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);str = NULL;if(str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}}

  

六、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。

struct S
{int n;char c;double d;int arr[];//未知大小的数组 - arr就是柔性数组的成员//也可以写成int arr[0]
};

6.1 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。
struct S
{int n;int arr[0];//柔性数组成员
};
int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct S));//输出的是4return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

struct S
{int n;int arr[];//柔性数组成员
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20*sizeof(int));//20*sizeof(int)是为arr数组动态分配的,表示数组arr有20个整型if(ps == NULL){perror("malloc()");return 1;}//使用空间ps->n=100;int i = 0;for(i = 0; i < 20 ; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//调整ps指向空间的大小struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps,sizeof(struct S) + 40 * sizeof(int));if(ps != NULL){ps = ptr;ptr = NULL;//防止ptr为野指针}else{return 1;}//使用空间for(i = 0 ; i < 40 ; i++){printf("%d ",ps->arr[i]);}//释放空间free(ps);ps = NULL;return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

//代码一
struct S
{int n;int* arr;
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}int*tmp = (int*)malloc(20*sizeof(int));if (tmp != NULL){ps->arr = tmp;}else{return 1;}ps->n = 100;int i = 0;//给arr中的20个元素赋值为1~20for (i = 0; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//调整空间tmp = (int*)realloc(ps->arr, 40*sizeof(int));if (tmp != NULL){ps->arr = tmp;}else{perror("realloc");return 1;}//for (i = 0; i < 40; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//释放free(ps->arr);//先释放第二次申请的空间ps->arr = NULL;free(ps);//再释放第一次申请的空间ps = NULL;return 0;
}

//代码二
struct S
{int n;//4int arr[];
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20*sizeof(int));if(ps == NULL){perror("malloc()");return 1;}//使用这些空间ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}//调整ps指向空间的大小struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40 * sizeof(int));if (ptr != NULL) {ps = ptr;ptr = NULL;}else{return 1;}//使用for (i = 0; i < 40; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//释放空间free(ps);ps = NULL;return 0;
}

  
  上述 代码一 和 代码二 可以完成同样的功能，但是 代码二 的实现有两个好处：
在这里插入图片描述

  

七、总结C/C++中程序内存区域划分

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

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