C语言——O/动态内存管理

目录

一、为什么要有动态内存分配

二、malloc 和 free

1、malloc

2、free

三、calloc和realloc

1、calloc

2、realloc

四、常见的动态内存的错误

1、对NULL指针的解引用操作

2、对动态开辟空间的越界访问

3、对非动态开辟内存使用 free 释放

4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

5、对同一块动态内存多次释放

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

1、题⽬1：

2、题⽬2：

3、题目3：

4、题目4：

六、柔性数组

1、柔性数组的特点：

2、柔性数组的使用

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

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 输入为0，malloc的行为是标准未定义的，取决于编译器。

2、free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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 都在 stdlib.h 头文件中

#include #include int main(){//int arr[10];int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));if (p == NULL)//开辟失败{perror("malloc");return 1;}int i = 0;//使用 - 给数组赋值for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放空间free(p);//释放p所指向的动态内存ptr = NULL;//防止p成为野指针return 0;}

三、calloc和realloc

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 #include int main(){int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (NULL != p){int i = 0;for (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。

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。

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（返回空指针）。
• 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在调整内存空间有两种情况：
◦ 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，同时把旧的数据拷贝到新的空间中，然后释放空间。
由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意⼀些。

#include #include int main(){int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL){//业务处理}else{return 1;}//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？(如果申请失败会如何？)//一般不会返回原空间会创造出新的空间//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中int* p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;}

int main(){int*p = (int*)realloc(NULL, 40);//等价于malloc//释放空间free(p);p = NULL;return 0;}

四、常见的动态内存的错误

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);}//正确写法int main(){int*p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){//报错信息perror("malloc");return 1;}*p = 20;//p有可能是NULL指针的//释放free(p);p = NULL;return 0;}

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++)//当i是10的时候越界访问{*(p + i) = i;}free(p);}

3、对非动态开辟内存使用 free 释放

int main(){int a = 10;int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return 1;}//使用//...p = &a;//p指向的空间就不再是堆区上的空间free(p);p = NULL;//....return 0;}

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}

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}

6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test(){int* p = (int*)malloc(100);//吃内存if (NULL != p){*p = 20;}}int main(){test();while (1);}

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

总结：malloc / calloc / realloc 申请空间如果不主动释放，出作用域是不会销毁的，释放的方式：1. free主动释放；2. 直到程序结束，才由操作系统回收。

五、动态内存经典笔试题分析

1、题目1：

//分析代码void GetMemory(char* p)//临时变量创建使用后就会销毁后{p = (char*)malloc(100);}void Test(void){char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);}//正确代码1void GetMemory(char** p){*p = (char*)malloc(100);}void Test(void){char* str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "hello world");printf(str);//可以正常打印free(str);str = NULL;}int main(){Test();return 0;}//正确代码2#include char* 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;}int main(){Test();return 0;}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

程序崩溃

2、题目2：

//返回栈空间地址问题char* GetMemory(void)//使用完就会被销毁{char p[] = "hello world";//static char p[] = "hello world";return p;}void Test(void){char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);}int main(){Test();return 0;}

请问运⾏Test 函数会有什么样的结果？

崩溃

3、题目3：

//忘记释放，会造成内存泄露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;}int main(){Test();return 0;}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

4、题目4：

//需要手动置空void Test(void){char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}}//改正void Test(void){char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);str = NULL;//str就是野指针if (str != NULL){strcpy(str, "world");//非法访问printf(str);}}int main(){Test();return 0;}

请问运⾏ Test 函数会有什么样的结果？

崩溃

六、柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexiblearray）这个概念，但是它确实是存在的。
C99中，结构体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};

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;//可有可无

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：

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

2、柔性数组的使用

//代码1#include #include typedef struct st_type{int i;int a[];//柔性数组成员}type_a;//可有可无int main(){int 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 a[i] = i;}for (i = 0; i a[i]);}free(p);return 0;}

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。

3、柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。

//代码2#include #include typedef struct st_type{int i;int* p_a;}type_a;int main(){int i = 0;type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));p->i = 100;p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));//当成一个数组//业务处理for (i = 0; i p_a[i] = i;}for (i = 0; i p_a[i]);}//释放空间free(p->p_a);p->p_a = NULL;free(p);p = 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，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，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。（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）

//示范struct St{char c;int n;int* arr;};int main(){//struct St s = {0};//printf("%d\n", sizeof(struct St));struct St* ps = (struct St*)malloc(sizeof(struct St));if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}ps->c = 'w';ps->n = 100;ps->arr = (int*)malloc(10*sizeof(int));if (ps->arr == NULL){perror("malloc-2");return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i arr[i] = i;}//数组空间不够int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 15*sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("realloc");return 1;}else{ps->arr = ptr;}//使用for (i = 10; i arr[i] = i;}for (i = 0; i arr[i]);}printf("\n%d\n", ps->n);printf("%c\n", ps->c);//释放free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;}

七、总结C/C++中程序内存区域划分

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。