C语言进阶——5动态内存管理（1）

原创已于 2025-02-16 14:29:41 修改 · 901 阅读

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于 2025-02-15 19:11:30 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

1.固定向内存申请4字节

int  a = 10;

2.数组：向内存申请连续的一块空间

	int a[10] = { 0 };

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。——这时候就需要进行动态存开辟。

1.1 创建动态数组

#include <stdio.h>

int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };//C语言这里不支持变量开辟数组。C++支持这样开辟数组。
	                   //但是要注意，只是这个变量我们可以动态输入，一旦这个变量我们输入之后，
					   // 向内存开辟了连续空间之后。这个内存的大小就不能再改变了。
	return 0;
}

2. 动态内存函数的介绍

前置小知识
内存中存在栈区，堆区，静态区，
栈区：存放局部变量，函数形参等
堆区：进行动态内存管理，malloc/calloc/realloc/free都是在这块内存进行开辟空间与释放
静态区：存放静态变量和全局变量等

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。

#include<stdio.h>//输出输出头文件
#include<errno.h>//errrno头文件
#include<string.h> //strerror头文件
#include<stdlib.h>//malloc free头文件

int main()
{
	//int* p = (int*)malloc(40);
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	if (p == NULL)
	{//申请失败，打印错误信息
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return -1;
	}
	//申请成功给空间存放1~10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n" ,* (p + i));
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

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。

实例：

#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	//int* p = (int*)calloc(10, INT_MAX+1);
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return -1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

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，那为了合理的适用内存，我们需要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

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。
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存放数据，并且把原有空间的数据搬运过来，最后会把原有空间释放。这样函数返回的是一个新的内存地址。

实例：

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = 1;
	}
	//我们再增加5个整形的空间
	int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));//这里需要用一个新指针去接收新开辟空间，因为一旦开辟失败会返回NULL，
	                                         //如果使用原本的指针，会直接给置NULL  会丢失原本指针的地址，
	                                         //所以要使用新指针接收新地址~
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	//使用
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放 空间
	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

在这里插入图片描述

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

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

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//这里没有判断是否是空指针。万一不判断下面直接使用，很可能为空，一旦为空，后面对其解引用，是有问题的。
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		*(p + i) = 0;
	}

	return 0;
}

3.2对动态开辟内存的越界访问

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

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);//这里是100个字节，是25个整形，因为一个整形4字节
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		//*(p + i) = 0;//越界访问
		p[i] = 0;//越界访问
	}

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

越界访问的现象是，会挂死，黑框好一会儿，不好关闭。

3.3 对非动态开辟内存使用free

free释放的是堆上创建的空间，不能对栈上空间进行操作


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

int main()
{

	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//error
	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.4 使用free释放一块动态开辟


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

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置

	return 0;
}

在这里插入图片描述

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

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL == p)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 25; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	
	 
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置

	return 0;
}

在这里插入图片描述

3.5 对同一块动态内存多次释放

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用


	//释放

	free(p);   
	//.....

	free(p);//代码比较多，又一次被释放

	return 0;
}

在这里插入图片描述

好的代码习惯：每次free之后记得给指针置NULL，
第二次进行free的时候就什么事儿都不会做~
不会报错。

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
//函数内部进行了malloc操作，返回了mallock开辟空间的起始地址
//一定要记得释放
int * test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
	//使用
	//......
	return p;
}

int main()
{
	test();
	//.....
	//走到这里，
	// 有两个问题
	// 1.分析你test函数中忘记释放空间了
	  // 2.到这里的时候想释放空间，已经释放不掉了  因为test()函数已经调用结束了
	return 0;
}

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。
malloc和free一定要配套使用 free之后要记得置NULL。

内存泄露的后果
程序会挂死，你申请了空间就要记得释放
比如有些服务器就需要7*24(7天24小时不间断运行)
如果你的代码有内存泄露，那内存会一直被申请申请，直到被用完
一旦被用完，程序就会挂死，服务器就会停止运行。

如果有的程序跑几天就不行了，会挂死，但是重启就好了，然后过几天就又不行了，这时候可以考虑下是否代码中存在内存泄露问题。

内存泄露示例

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	while (1)
	{
		malloc(1);
	}
	return 0;
}

运行这段代码，打开任务管理器，可以看到我们的内存蹭蹭蹭的增长
在这里插入图片描述

举例虽然malloc和free成对出现了，但是程序返回了，没有执行到free

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL);
	{
		return ;
	}
	//使用
	//....
	if (1)
		return;  //这里直接返回了，但是没有执行到free //虽然malloc和free成对出现了，但是还是没有被释放，要注意避免发生这种情况
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
}


int main()
{
	test();
	return 0;
}