超详细分析C语言动态内存管理问题

    上期结束了【结构体内存对齐】，这期我们来学习C语言中非常重要的内容之一【动态内存管理】，学完这期，我相信你对动态内存分配会有更深的理解~话不多说，我们直接进入本期主题！

一、为什么存在动态内存的分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

int a = 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.数组在声明时，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，不仅仅时上述的情况。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。

二、动态内存函数的介绍

2.1 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malloc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

函数原型如下：

void free (void* ptr);

 free函数用来释放动态开辟的内存。

• 怕如果参数 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：

int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
 
	//代码2
	int* 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 + 1) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	//指针ptr内容还是原来的地址，释放后防止非法访问，故置为NULL
	ptr = NULL;
	return 0;
}

2.2 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全为0。

举个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)//判断p指针是否为空
	{
		//work
	}
	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。

2.3 realloc

        realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时候我们发现过去申请的空间太小了，有时候又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的内存，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 调整之后新的大小。

🏈返回值为调整之后内存起始位置。

🏈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 在调整内存空间时存在两种情况：

            a.情况1：原有空间之后有足够大的空间

            b.情况2：原有空间之后没有足够大的空间

⚡情况1：要扩展内存就直接在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：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>
#include<stdlib.h>
 
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//work
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//扩展容量
 
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
	//这个做法不行，如果申请失败则返回NULL赋给ptr
 
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1 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，就会非法访问
	free(p);
	p == NULL;
}

3.2 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 (p == NULL)
	{
		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);
	p == NULL;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能对非动态开辟内存使用free
	p == NULL;
}

3.4 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
}

3.5 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*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。

四、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？

🎈程序崩溃，str是空指针，没有指向的内存，无法拷贝hello world，访问内存失败。

🎈内存泄漏，没有free。

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？

🎈局部数组的内存，除了程序就释放了。

🎈返回栈空间地址的问题。

 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？

🎈可以打印hello。

🎈需要加 free(str); str = NULL;

五、C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

• 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。
• 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。
• 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。
• 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

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 a
{
	int i;
	int a[0];//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。

例如：

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

6.2 柔性数组的使用

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

这样柔性数组成员arr，相当于获得了100个整形元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的 a 结构也可以设计为：

//代码2
struct a
{
	int i;
	int* p_a;
};
a* p = malloc(sizeof(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 代码2 的实现有两个好处：

第一个好处是：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：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）

总结起来就是：

• 方便内存释放。
• 提高访问速度。

 动态内存管理到这里就结束啦，大家一定要动手敲代码实现一下！有不懂的可以随时私信我哦！

到此这篇关于超详细分析C语言动态内存管理问题的文章就介绍到这了,更多相关C语言 动态内存管理内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！