C语言中入门到实战————动态内存管理

目录

前言

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

5.1 题目1： 

5.2 题目2：

5.3 题目3： 

5.4 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 

 

前言

动态内存管理是C语言中用于在程序运行时分配和释放内存的一种机制

它允许程序根据需要动态地请求和释放内存空间，而不是在编译时就固定下来。这种灵活性使得程序能够更好地适应不同的运行条件和需求。具体来说，动态内存管理涉及以下几个方面：

  • 内存分配：C语言提供了几种动态内存分配函数，如malloc()、calloc()、realloc()等。这些函数可以在堆区为程序分配所需的内存空间。例如，malloc()函数接受一个参数，即需要分配的内存大小（以字节为单位），并返回一个指向分配内存的指针。
  • 内存释放：当不再需要已分配的内存时，应使用free()函数将其释放，以避免内存泄漏。
  • 数组的动态内存分配：对于数组，特别是多维数组，动态内存分配可以提供更大的灵活性。例如，可以根据用户输入或程序运行状态来决定数组的大小。
  • 作用域与生命周期：动态分配的内存的生命周期由程序员控制，不同于自动变量的生命周期受作用域限制。这意味着程序员必须谨慎管理这些内存区域，以避免悬垂指针和内存泄漏等问题。
  • 指针与地址运算：动态内存管理经常涉及到指针的使用，以及对地址的直接操作。这要求程序员对指针的概念有深入的理解。

总的来说，动态内存管理是C语言编程中的一个重要组成部分，它为程序设计提供了更多的灵活性和控制能力。然而，这也要求程序员具备良好的内存管理习惯，以确保程序的稳定性和效率。 

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，必须指定数组的⻓度，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。

二、 malloc和free

2.1 malloc

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。

malloc向内存申请的空间在堆区

 

2.2 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，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。 

举个列子：

 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int num = 0;scanf("%d", &num);//int arr[num] = { 0 }; //很显然这一行代码是行不通的，数组后面的框不能是变量int* ptr = NULL;ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));//在开辟完动态内存后必须要进行判断if (ptr != NULL){for (int i = 0; i < num; i++){*(ptr + i) = i + 1;printf("%d ", *(ptr + i));}}free(ptr); //释放的必须是ptr指向的动态内存ptr = NULL; //将其设置为空指针，目的是防止它成为野指针，因为在释放内存后，这个指针指向的内存为空return 0;
}

三、calloc和realloc 

3.1 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 (p != NULL){for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}}free(p);p = NULL;return 0;
}

 

所以如果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。 

3.2 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，那为了合理的使用内存，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，同时返回就地址的其实地址。 

情况2 

 当时情况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，将原来空间的数据拷贝到新的空间，同时释放旧的空间，返回新空间的其实地址。

由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意⼀些。 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//业务处理}else{return 1;}//此时发现空间不够用，需要扩展容量//代码1 -- 直接将realloc的返回值放到ptr中/*ptr = (int*)realloc(ptr, 1000)*/; //这样可以吗？// 其实时不可以的，因为如果要扩展的空间过大，内存中没有那么大的连续的内存空间，则开辟失败，返回空指针，此时，ptr为空指针// 其中的内容也就找不到了//代码1 - 先将realooc函数的返回值放到p中，当不为NULL时，则放在ptr中int* p = (int*)realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}free(ptr);ptr = 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

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);}

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));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 

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

 

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++;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

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

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。 

五. 动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1： 

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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;
}

以上代码有哪些问题？

 

5.2 题目2：

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

以上代码有哪些问题？

 

5.3 题目3： 

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
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;
}

 

5.4 题目4：

 

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <stdio.h>
void Test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);str = NULL;if (str != NULL){strcpy(str, "world"); // 非法访问printf(str); //对野指针进行解引用}
}
int main()
{Test();return 0;
}

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。 

例如： 

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

 有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

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

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

6.2 柔性数组的使用

 图解1

// 柔性数组的使用
struct S
{int age;int arr[]; //柔性数组成员
};
int main()
{//为这个结构体开辟动态内存空间struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 5 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc()");return 1;}p->age = 20;printf("%d ", p->age);for (int i = 0; i < 5; i++){p->arr[i] = i + 1;printf("%d ", p->arr[i]);}free(p);p = NULL;return 0;
}

 

 

图解2

 

6.3 柔性数组的优势 

使用指针也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。（但就不再是柔性数组了）

struct S
{int age;int* p; //柔性数组成员
};int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->age = 20;printf("%d ", ps->age);ps->p = (int*)malloc(5 * sizeof(int*));for (int i = 0; i < 5; i++){*(ps->p + i) = i + 1;printf("%d ", *(ps->p + i));}//释放空间free(ps->p);ps->p = NULL;free(ps);ps = 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

 连续的内存有益于提⾼访问速度，也有益于减少内存碎⽚。

 

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