【C语言】C语言动态内存管理

前言

在C语言编程中，内存管理一直是程序员需要重点关注的领域。动态内存管理更是如此，它不仅涉及到内存的灵活分配和释放，还隐藏着许多潜在的陷阱。本文将从动态内存分配的基础讲起，逐步深入到常见的错误、经典笔试题分析，以及柔性数组的应用，帮助你全面掌握C语言动态内存管理的精髓。

一、为什么需要动态内存分配

在学习C语言的过程中，我们已经熟悉了栈空间的内存分配方式。例如：

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

这种方式虽然简单，但有两个明显的局限性：
空间大小固定：数组的大小在编译时必须确定，一旦确定就无法调整。
灵活性不足：在某些情况下，我们无法在编译时确定需要的内存大小，例如需要根据用户输入动态分配内存。
为了解决这些问题，C语言引入了动态内存分配。通过动态内存分配，程序员可以在程序运行时根据实际需求申请和释放内存，极大地提高了内存使用的灵活性。

二、malloc和free

2.1 malloc
malloc是C语言中用于动态内存分配的函数，其原型如下：

void* malloc(size_t size);

在这里插入图片描述

功能：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。
返回值：
如果申请成功，返回一个指向开辟空间的指针。
如果申请失败，返回NULL。因此，使用malloc时，必须检查返回值是否为NULL。
返回值类型：void*，表示malloc函数并不知道开辟空间的具体类型，使用者需要自行决定。
例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int num = 0;scanf("%d", &num); // 用户输入需要分配的整数个数int* ptr = NULL;ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int)); // 动态分配内存if (NULL != ptr) // 检查是否分配成功{int i = 0;for (i = 0; i < num; i++){*(ptr + i) = 0; // 初始化内存}}free(ptr); // 释放内存ptr = NULL; // 将指针置为NULL，避免野指针return 0;
}

在这里插入图片描述

2.2 free
free函数用于释放动态分配的内存，其原型如下：

void free(void* ptr);

功能：释放由malloc、calloc或realloc分配的内存。
注意事项：
如果ptr指向的内存不是动态分配的，free的行为是未定义的。
如果ptr为NULL，free不会执行任何操作。
malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。

三、calloc和realloc

3.1 calloc
calloc也是C语言中用于动态内存分配的函数，其原型如下：

void* calloc(size_t num, size_t size);

功能：为num个大小为size的元素分配内存，并将内存中的每个字节初始化为0。
与malloc的区别：calloc会在返回地址之前将申请的空间的每个字节初始化为0。
例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 分配10个整数空间，并初始化为0if (NULL != p){int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i)); // 输出初始化后的值}}free(p); // 释放内存p = NULL; // 避免野指针return 0;
}

在这里插入图片描述

输出结果为：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3.2 realloc
realloc函数用于调整动态分配的内存大小，其原型如下：

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

在这里插入图片描述

功能：调整由ptr指向的内存块的大小为size。
注意事项：
如果ptr为NULL，realloc的行为等同于malloc(size)。
如果size为0，realloc的行为等同于free(ptr)。
如果调整成功，返回调整后的内存块的指针；如果失败，返回NULL，并且原内存块保持不变。
realloc在调整内存大小时，会根据内存空间的可用性选择以下两种情况之一：
原有空间之后有足够的空间：直接在原有内存之后追加空间，数据保持不变。
原有空间之后没有足够的空间：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间，将原数据复制到新空间，并返回新的内存地址。
例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100); // 初始分配100字节if (ptr != NULL){// 业务处理}else{return 1;}// 扩展容量int* p = NULL;p = (int*)realloc(ptr, 1000); // 调整为1000字节if (p != NULL){ptr = p; // 更新指针}// 业务处理free(ptr); // 释放内存return 0;
}

四、常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4); // 可能分配失败*p = 20; // 如果p为NULL，会导致程序崩溃free(p);
}

解决方法：在使用指针之前，必须检查其是否为NULL。
4.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); // 分配10个整数空间if (NULL == p){perror("malloc")return 1;}for (i = 0; i <= 10; i++) // 越界访问{*(p + i) = i;}free(p);
}

解决方法：严格控制访问范围，避免越界。
4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{int a = 10;int* p = &a;free(p); // 错误：不能释放非动态分配的内存
}

解决方法：free只能用于释放由malloc、calloc或realloc分配的内存。
4.4 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++; // p不再指向动态内存的起始位置free(p); // 错误：不能释放非起始位置的内存
}

解决方法：free必须释放动态分配的内存的起始位置。
4.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{int* p = (int*)malloc(100);free(p);free(p); // 错误：重复释放
}

解决方法：释放内存后，将指针置为NULL，避免重复释放。
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); // 模拟长时间运行
}

解决方法：动态分配的内存必须在不再使用时释放，避免内存泄漏。

五、动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1

void GetMemory(char* p)
{p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf("%s", str);
}

问题：运行Test函数会有什么样的结果？
答案：程序会崩溃。对NULL指针解引用操作，程序会崩溃。内存泄露。
5.2 题目2

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

问题：运行Test函数会有什么样的结果？
答案：程序会输出垃圾数据或崩溃。GetMemory函数返回的是局部数组p的地址，而局部数组在函数返回后会被销毁，因此str指向的是无效内存。
5.3 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("%s", str);
}

问题：运行Test函数会有什么样的结果？
答案：程序正常运行，输出hello。GetMemory函数通过指针的指针p正确地修改了str的值。但是会造成内存泄露
5.4 题目4

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

问题：运行Test函数会有什么样的结果？
答案：程序可能会崩溃或输出垃圾数据。free释放了str指向的内存后，str变成了野指针，再次访问会导致未定义行为。

六、柔性数组

柔性数组是C99标准中引入的一种特殊数组类型，允许结构体的最后一个成员是一个未知大小的数组。例如：

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

柔性数组的特点如下：
结构体中柔性数组成员前必须至少有一个其他成员。
sizeof返回的结构体大小不包括柔性数组的内存。
包含柔性数组成员的结构体必须通过malloc动态分配内存，并且分配的内存应该大于结构体的大小，以适应柔性数组的预期大小。
6.1 柔性数组的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct st_type
{int i;int a[0]; // 柔性数组成员
} type_a;int main()
{type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int)); // 分配内存p->i = 100;for (int i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i; // 使用柔性数组}free(p); // 释放内存return 0;
}

6.2 柔性数组的优势
柔性数组相比传统的指针成员有以下优势：
方便内存释放：一次性分配内存，用户只需调用一次free即可释放所有内存。
提高访问速度：连续的内存有利于提高访问速度，减少内存碎片。

七、C/C++程序内存区域划分

C/C++程序的内存分为以下几个区域：
栈区（stack）：用于存储函数内的局部变量、函数参数、返回数据和返回地址等。栈内存分配效率高，但容量有限。
堆区（heap）：由程序员动态分配和释放内存，若程序员不释放，程序结束时可能由操作系统回收。
数据段（静态区）：存放全局变量和静态数据，程序结束后由系统释放。
代码段：存放函数体的二进制代码。
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