动态内存管理

最新推荐文章于 2025-05-26 20:47:11 发布

十大帅哥

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动态内存管理

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

正文开始

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：

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，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](malloc - C++ Reference (cplusplus.com))和[free](free - C++ Reference (cplusplus.com))

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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。
下面是补充:
<1>也就是说，如果malloc传入的值是0，那么这个行为可以被允许通过的。

<2>但是，这个行为最后产生的结果，是返回的一个空指针，或者是一些可能不能被访问的内存。（注意：这里是可能不能被访问，我上面运行结果显示可以被访问，并不冲突）

<3>最后，这里还表明，这个malloc返回的值，最终需要经过free()函数进行释放。

（5）那么还有一个问题，为什么我这里malloc（0）返回的是一个24字节的空间呢？这个所有人的都是24字节吗？

不是的，通过查阅网上的资料显示，不同环境下，malloc(0)返回的空间可能不同。

malloc不会初始化

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+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](calloc - C++ Reference (cplusplus.com))

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。
如果任意一个参数为0，返回的值不能确定
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 = calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 //使用空间
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
 }

1.calloc的用法

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));   //动态开辟内存空间
 
	if (p != NULL)                          //检验动态开辟空间是否成功
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)            //如果成功,打印这10个整型
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	else
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));   //如果失败,则打印失败错误信息
		return 0;                          //失败则不需要进行下面的释放和置空操作了,可以直接退出
	}
 
	free(p);         //使用完后向系统归还动态开辟的内存空间
	p = NULL;              //将p指针置为空,避免p成为野指针
 
	return 0;
}

2.使用calloc()函数完成动态结构体的开辟

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
 
//人的信息-结构体
typedef struct PeoInfo
{
	char name[20];
	int age;
	char sex[5];
	char addr[20];
	char tele[11];//电话11位，留一位给'\0';
}PeoInfo;
 
typedef struct Contact
{
	PeoInfo* data;  //存放人的信息
	int sz;         //用来记录当前已经存放的信息的个数
	int capacity;   //记录当前通讯录的最大容量
}Contact;
 
int main()
{
	Contact con;
    //结构体类型,为结构体开辟一块空间
	PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)calloc(3,sizeof(PeoInfo));   //动态开辟空间
 
	if (ptr == NULL)            //如果开辟失败,则打印错误原因
	{
		perror("InitContact::calloc");
		return;
	}
 
	free(ptr);         //使用完后向系统归还动态开辟的内存空间
	ptr = NULL;              //将p指针置为空,避免p成为野指针
 
	return 0;
}

以上就是calloc空间的开辟

###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

补充

realloc(ptr, 0) 会释放 ptr 所指向的内存空间，并返回一个空指针。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
	int* ptr = (int*)malloc(25);
	ptr = realloc(ptr, 0);
	if (ptr == NULL) {
		printf("Memory allocation failed.\n");
		return 1;
	}
}

在 C 语言中，如果将空指针（NULL）传递给 realloc 函数，其行为类似于 malloc 。

也就是说， realloc(NULL, size) 会分配一块新的大小为 size 的内存，并返回指向新分配内存的指针。

例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
	int* ptr = NULL;
	ptr = realloc(ptr, 10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL) {
		printf("Memory allocation failed.\n");
		return 1;
	}

	// 使用分配的内存
	//...
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		*(ptr + i) = 1;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d", *(ptr + i));
	}
	free(ptr);
	return 0;
}

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 = malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 //业务处理
}
 else
 {
 exit(EXIT_FAILURE);    
}
 //扩展容量
//代码1
 ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
 //代码2
 int*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);
 }

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)
 {
    //出来局部变量的时候被销毁了
    //会导致空间不一样,非法访问
 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)
 {
    //会返回不知道的空间,后面空间已经被还给操作系统
    //非法访问
 char p[] = "hello world";
 return p;
 }
 void Test(void)
 {
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
 }

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。

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1
 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<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2
 typedef struct st_type
 {
    int i;
    int *p_a;
 }type_a;
 type_a *p = 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