【详识C语言】动态内存管理

本章重点

为什么存在动态内存分配

动态内存函数的介绍

malloc

free

calloc

realloc

常见的动态内存错误

几个经典的笔试题

柔性数组

为什么存在动态内存分配

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：

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：

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。

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);

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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

举个例子：

#include <stdio.h>int main() {//代码1int num = 0;scanf("%d", &num);int arr[num] = {0};//代码2int* ptr = NULL;ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空{int i = 0;for(i=0; i<num; i++){*(ptr+i) = 0；}} free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存ptr = NULL;//是否有必要？return 0;}

calloc

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);

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。

举个例子：

#include <stdio.h> #include <stdlib.h>int main() {int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if(NULL != p) {//使用空间}free(p);p = NULL;return 0;}

所以如何我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

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。

函数原型如下：

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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

举个例子：

#include <stdio.h>int main() {int *ptr = (int*)malloc(100);if(ptr != NULL) {//业务处理} else {exit(EXIT_FAILURE);}//扩展容量//代码1ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2int*p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if(p != NULL) {ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;}

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);}

对动态开辟空间的越界访问

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);}

对非动态开辟内存使用free释放

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

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}

对同一块动态内存多次释放

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

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();while(1);}

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。

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);}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

题目2：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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);}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

题目4：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

C/C++程序的内存开辟

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

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。

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

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。

例如：

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。

例如：

//code1 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

柔性数组的使用

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

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

柔性数组的优势

上述的type_a结构也可以设计为：

//代码2typedef struct st_type {int i;int *p_a;}type_a;type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));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;

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。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，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次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.