C语言-＞动态内存管理

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前言

✅作者简介：大家好，我是橘橙黄又青，一个想要与大家共同进步的男人😉😉

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目的：学习malloc，free，calloc，realloc函数的使用。

1. 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。补充一下动态内存在内存中的分布：

2. 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

代码演示：

int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int))开辟10个整形空间
malloc(字节)

2.2 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注意：

• 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>
#include <stdlib.h>
int main()
{
     int num = 0;
     scanf("%d", &num);
     int arr[num] = {0};
     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+i) = 0；
         }
     }
     free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
     ptr = NULL;
     return 0;
}

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

输出结果：

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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？)
 
     //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)//判断
     {
         ptr = p;
     }
     //业务处理
     free(ptr);
     return 0;
}

4. 常⻅的动态内存的错误

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);
 }

所以使用动态内存函数是一定要养成习惯判断是否为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));
     if(NULL == p)
     {
         exit(EXIT_FAILURE);//报错
     }
     for(i=0; i<=10; i++)//问题就出在i==10
     {
         *(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。

5. 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(str);
 }

输出结果是什么？

为什么？

这是因为str 传过去char*p是相当于值传递，是临时拷贝的str，函数销毁后，str还是不变，str还是NULL，所以没有输出。

5.2 题⽬2：

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

输出结果：

因为:

在这里p的地址的确传了回去的是地址后面的空间销毁了，所以才会出现这结果。

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(str);

//   free(str);
//   str = NULL;
 }

忘记了释放

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(str);
     }
 }

忘记str = NULL，且释放空间后又把world放进去，//非法访问

6. 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;

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：

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
     return 0;
}

6.2 柔性数组的使⽤

代码1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct St
{
	char c;
	int n;
	int arr[0];
};
int main()
{
	struct St* ps = (struct St*)malloc(sizeof(struct St) + 10 * sizeof(int));//柔性数组开辟的空间：10 * sizeof(int)
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->c = 'w';
	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//数组空间不够
	struct St* ptr = realloc(ps, sizeof(struct St) + 15 * sizeof(int));//改变柔性数组空间
	if (ptr != NULL)
	{
		ps = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");//报错
		return 1;
	}
	//...继续使用

	for (i = 10; i < 15; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("\n%d\n", ps->n);
	printf("%c\n", ps->c);

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

还有另一种方式：

代码2：

struct St
{
	char c;
	int n;
	int* arr;//使用指针的方式访问
};


int main()
{
	struct St* ps = (struct St*)malloc(sizeof(struct St));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");//报错
		return 1;
	}
	ps->c = 'w';
	ps->n = 100;

	ps->arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//给柔性数组开辟空间
	if (ps->arr == NULL)//判断
	{
		perror("malloc-2");//报错
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	//数组空间不够
	int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 15 * sizeof(int));//这个可以，重点
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	for (i = 10; i < 15; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	printf("\n%d\n", ps->n);
	printf("%c\n", ps->c);

	//释放两次
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;

	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

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 <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
     int i;
     int *p_a;
}type_a;
int main()
{
     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;
     return 0;
}

这样就简化很多了。

6.3 柔性数组的优势

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⼾。⽤⼾调⽤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，⽤⼾做⼀次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）。扩展阅读： C语⾔结构体⾥的数组和指针。好了今天就到这里了，都看到这里了点一个赞吧，感谢观看。

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