C语言_动态内存管理

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

• 回顾总结

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：

输出结果：

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：

输出结果：

总结：

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

以下代码是否正确？

这样的赋值是错误的，如果扩容失败返回NULL，相当于把p指向为了NULL，不仅扩容失败，连自己开辟的空间也找不到了。正确写法如下：

3. 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
 	//所以在开辟动态空间返回地址的时候，我们要先判断返回值是否正确
	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);
}

动态申请的内存空间，不会因为出了作用域就自动销毁。

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

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);
}

//结果如何？ 
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

结果是会报错的。
原因：GetMemory(str)里面传入了str，然后再函数里面将开辟到的新空间的地址赋值给了p，结束函数。
这里就出现问题了，虽然我们传入的是指针类型的变量，但是也没有什么了不起，想要改变类型就要传入地址然后去解引用访问改变。
结果就是传值调用，并没有对原有的地址进行改变。导致我们strcpy的时候str还是NULL，那么NULL能进行拷贝嘛？那自然而然就会报错。
printf(str)打印是没有问题的，举个例子：printf(“hello world”)，本质上是把h的地址给了printf然后往下面连续打印。
注意的是：这样写只能用于字符串形式，单个字符以及整型都不可以进行输出打印。

正确写法：

题目2：

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

void Test(void)
{
 	char *str = NULL;
 	str = GetMemory();
 	printf(str);
}

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

画图详解

正确写法：

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);
}

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

这里主体并没有过错，只是再最后程序结束的时候并没有释放掉这个动态开辟的空间，所以我们还是需要手动释放一样。

正确写法：

题目4：

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

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

这道题错误在于：首先，动态开辟了一块空间，然后拷贝了一串数据进去，再然后释放掉这块空间，此时，str的指向还是这块释放掉的动态空间的起始地址，此时处于野指针状态。又再次对这块进行拷贝，这里就错误了，因为我们已经释放掉了这块空间，这块空间已经不属于我们的了，不能进行拷贝。只需要把这个free去掉，保留这块动态空间即可再次进行拷贝。

5. 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

//定义结构体
struct S
{
	int a;
	int arr[0];
};

int main()
{
	struct S* s = NULL;
	//开辟一个动态空间
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
	//检查返回地址
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc：");
		return 0;
	}
	s = ps;
	s->a = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		s->arr[i] = i + 1;
	}
	//打印
	printf("%d\n", s->a);
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", s->arr[i]);
	}
	printf("\n");
	//增容
	struct S* ptr = realloc(s, sizeof(struct S) + 60);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc：");
		return 0;
	}
	s = ptr;
	s->a = 15;
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		s->arr[i] = 15 - i;
	}
	//打印
	printf("%d\n", s->a);
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d ", s->arr[i]);
	}
	printf("\n");
	free(s);
	s = NULL;
	return 0;
}

输出结果：

6. 回顾总结

以下是我在学习一段时间重新对动态空间做出的总结：

在我们初学动态空间的时候，我们往往把注意力放在元素类型上面：

• 确定了我们元素类型是什么
• 准备开辟多少个元素类型的空间
• 最终返回元素指针类型是什么

但是，这样的方法极其不利于复杂动态开辟空间所具备的思维模式。

我们都知道二维数组，但是你知道如何动态实现二维数组嘛？通过以上的思维模式你能快速写出动态开辟的二维数组实现嘛？

我想了好久，对于我来说确实没做到，经过一段时间的思考，我另辟蹊径通过另一种方法能够快速推敲出复杂动态开辟思维模式：逆向思维

总结心得：

首先，我们必须要了解动态开辟空间核心本质上是开辟一块连续的元素指针类型地址空间。

在这个基础上我们要知道动态开辟完成以后返回的也就是首元素指针类型地址。

注： 地址本身是无序的，只不过是我们明白了自身元素指针类型将返回的地址做出强转操作。

从这里我们可以敏锐的发现既然我们开辟的是连续的元素指针类型地址空间，那我们为何要把目光聚焦在元素类型上。

当我们要实现动态开辟二维数组的时候，我们先知道二维数组元素是多个一维数组组成的数组，那么一维数组也就是二维数组的元素，那么元素对应的指针类型也就是数组指针。

这里请不要混淆数组指针以及指针数组，核心区分点在于最后两个字！！！

int (*pa)[4]  -> 数组指针
int *pa[4]  -> 指针数组

那么我们在这里可以发现，动态开辟是开辟连续的元素指针类型地址空间，我们现在知道了二维数组元素指针类型，那么我们是否能根据这个元素指针类型开辟n个这样元素指针类型的动态空间。

当然在这里声明一下，我们开辟的空间大小还是要根据元素类型进行开辟。

逆向思维的好处在于：我们能够快速知道元素指针类型是什么，开辟空间是依旧需要sizeof(元素实际类型) * n。最终我们确定了接受的元素指针类型以及malloc强转的指针类型。注：之所以强调强转一次，是因为我们开辟的连续地址空间是无类型的，所以需要进行强转一说。

int(*tmp)[4] = (int(*)[4])malloc(sizeof(int[4]) * 3)

本章完~