动态内存管理-优快云博客

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。

malloc和free

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。

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都声明在stdlib.h 头⽂件中。

举例

int main() {
	int i = 0;
	int mun = 0;
	scanf("%d", &mun);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(mun * sizeof(int));
	if (ptr != NULL) {
		for (i = 0;i < mun;i++) {
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

calloc和realloc

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。

例子

int main()
{
    int i, n;
    int* a;

    printf("要输入的元素个数：");
    scanf("%d", &n);

    a = (int*)calloc(n, sizeof(int));
    printf("输入 %d 个数字：\n", n);
    for (i = 0; i < n; i++)
    {
        scanf("%d", &a[i]);
    }

    printf("输入的数字为：");
    for (i = 0; i < n; i++) {
        printf("%d ", a[i]);
    }
    free(a);  // 释放内存
    a = 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。

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。

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。

常⻅的动态内存的错误

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，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);//ok?
}

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。

动态内存经典笔试题分析

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);
}

程序分析

题⽬2

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

程序输出的是乱码，因为数组建立的空间在函数结束后就自动释放了，后面的函数没有使用权限，原来的空间内容被修改，无法输出hello world。

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);
}

代码未做到内存释放，存在内存泄漏的风险。

题⽬4

void Test(void){
	char* str = (char*)malloc(100); 
	strcpy(str, "hello");
	free(str); 
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world"); printf(str);
	}
}

代码运行到第4行时已经释放了str的内存，后面strcpy的操作对内存进行了非法访问

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
};

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。

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;
}

柔性数组的使⽤

//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

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<100; i++)
    {
         p->a[i] = 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。

总结C/C++中程序内存区域划分

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。
《函数栈帧的创建和销毁》
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。