【C语言】进阶第5节——动态内存管理

已于 2022-05-03 17:28:53 修改
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分类专栏： C语言 文章标签： c语言
于 2022-04-30 16:03:03 首次发布
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本章重点

  • 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

1. 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：

  1. 空间开辟大小是固定的。

  2. 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（在堆上开辟）了。

2. 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。

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));//申请空间
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
        //开辟成功
		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？
    //free()在使用的时候不会主动把参数ptr置为空，
	//所以我们一般的习惯是free()之后把ptr置为空，
	//这样的话ptr就再也找不到刚才动态申请的空间了
	return 0;
}

在堆区上申请的空间，有2种回收的方式：

  1. free （主动free）;
  2. 当程序退出的时候，申请的空间也会回收（操作系统自动回收）;

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)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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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

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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，原来的内存地址realloc函数会主动释放。

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 = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)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;
}

3. 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);
    //要对malloc函数的返回值做判断
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

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 (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);
}

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);//ok?
}

3.4 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
}

3.5 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
}

3.6 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 。

4. 几个经典的笔试题

4.1 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);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果？

str传给GetMemory函数的时候是值传递，所以GetMemory函数的形参p是str的一份临时拷贝。在GetMemory函数内部动态申请空间的地址，存放在p中，不会影响外边str，所以当GetMemory函数返回之后，str依然是NULL，所以strcpy会失败。

当GetMemory函数返回之后，形参p销毁，使得动态开辟的100个字节存在内存泄漏，无法释放。

第一种修正：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

第二种修正：

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

4.2 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？

GetMemory函数内部创建的数组是在栈区创建的，出了函数，p数组的空间就还给了操作系统，返回的地址是没有实际意义的，如果通过返回的地址去访问内存，就是非法访问内存。

4.3 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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

没有释放动态开辟的内存空间，造成了内存泄漏。

4.4 题目4

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？

str保存的动态开辟空间的地址，free只是释放str指向的那块空间，而不是改变str的值，也就是说str中还保存那块空间的地址，但是如果再次使用这个地址，就是访问已经释放掉了的空间，是非法访问。

5. C/C++程序的内存开辟

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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。

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。

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;
  • [] 内不写或者为 0 都表示大小不确定

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：

//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

6.2 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));
if (p == NULL)
{
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return -1;
}

//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
    p->a[i] = i;
}

//a数组的空间不够了，希望调整到200个整型数据
type_a* ptr = (type_a*)realloc(p, sizeof(type_a) + 200 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
{
    printf("扩展空间失败\n");
    return -1;
}
else
{
    p = ptr;
}

// 释放空间
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。

6.3 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 = (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;

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 代码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.

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）

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