动态内存管理

最新推荐文章于 2025-11-24 21:16:15 发布

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#c语言 #动态内存管理

6.柔性数组（flexible array）：C99中，结构中最后一个元素允许是未知大小的数组

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. 数组在声明的时候，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内存开辟了

2.动态内存函数

2.1 malloc 和 free

malloc的函数原型：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的行为是标准未定义的，取决于编译器

free的函数原型：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

2.2 calloc

calloc的函数原型：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0

2.3 realloc

realloc的函数原型：void * realloc(void *ptr, size_t size);

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活

有时候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，那为了合理的申请内存，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

ptr是要调整的内存地址

size是调整之后新大小

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在调整内存空间时存在两种情况：

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

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);//INT_MAX为整型最大值
    *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;
    }
    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);
}

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);
}

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();
    return 0;
}

例题1：

void GetMemory(char* p)
{
    p = (char*)malloc(100);
}

void Test()
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
}

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

问：程序能不能打印出 "hello world"？有没有错误？

答：不能，有两个错误

解：错误1：str是空指针，解引用时程序会崩溃

错误2：存在内存泄漏

不能正常打印出hello world的原因是尝试解引用str时程序已经崩溃

详解：在 Test 内调用 GetMemory 时，是把 str 拷贝一份，p也指向空，再动态开辟一块空间给p，p此时是指向一块大小为100的空间

例题1改正之后：

void GetMemory(char** p)
{
    *p = (char*)malloc(100);
}

void Test()
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

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

改正的原因：GetMemory 用二级指针来接收，就能找到 str，并把动态开辟的空间的地址放到 str 里，最后再从 Test 内释放掉

4.C/C++程序的内存开辟

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

5.柔性数组（flexible array）：C99中，结构中最后一个元素允许是未知大小的数组

5.1 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，并且分配的内存大小，应该大于该结构的大小，以适应柔性数组的预期大小

例如：

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];
}type_a;

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出4
    return 0;
}

5.2 柔性数组的使用

代码1
typedef struct st_type
{
    int i=0;
    int a[0];
}type_a;

int main()
{
    int i = 0;
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
    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

代码2
typedef struct st_type
{
    int i;
    int* p_a;
}type_a;

int main()
{
    type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
    p->i = 100;
    p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
    for (i = 0; i < 100; i++)
    {
        p->p_a[i] = i;
    }
    free(p->p_a);
    p->p_a = NULL;
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

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（其实也没多高，反正跑不了要用几次偏移量的加法来寻址）