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【C语言】16.动态内存管理

时间：2024-06-21 22:30:43浏览次数：26  
标签：malloc str 16 int free C语言 动态内存 空间 NULL

文章目录

1.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，必须指定数组的长度，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。

2.malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

参数 size 是你想要分配的内存块的大小，以字节为单位。如果 malloc 成功分配了内存，它会返回一个指向分配内存块的指针。如果分配失败（比如内存不足），它会返回一个空指针（ NULL ）。

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。

  1. 参数的单位是字节

  2. 申请空间成功的话，返回这块空间的起始地址。

    申请失败的话，返回NULL

#include <stdlib.h>

int main() {
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL) {
		//空间开辟失败
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//可以使用这40个字节
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		*(p + i) = i + 1;
	}

	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.2 free

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 <stdlib.h>

int main() {
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	if (p == NULL) {
		//空间开辟失败
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//可以使用这40个字节
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		*(p + i) = i + 1;
	}

	//释放
	free(p);//p指向的空间不属于当前程序，但还是能找到那个空间，就成了野指针了
	//上面就是通过代码的方式释放内存
	p = NULL;

	return 0;
}

再看个例子：

#include <stdlib.h>

int main() {
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = arr;

	free(p);//err
	p = NULL;

	return 0;
}

这里因为arr不是动态开辟的，所以不能用free释放。

再看个例子：

int main() {
	//前面一堆代码

	int* p = NULL;
	//中间一堆代码

	free(p);//什么都不干，因为空指针没有指向有效的空间
	p = NULL;

	return 0;
}

这里free什么都不干，因为空指针p没有指向有效的空间。

对于malloc和free最好成对使用。

3.calloc和realloc

3.1 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：

int main() {
	//申请10个整型的空间
	//malloc(10 * sizeof(int));
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL) {
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

打印：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 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。

3.2 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);

  1. ptr 是要调整的内存地址

  2. size 调整之后新大小

  3. 返回值为调整之后的内存起始位置。

  4. 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。

  5. 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

      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：原有空间之后没有足够大的空间

      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：

      1. 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。
      2. 将旧的数据拷贝到新的空间
      3. 释放旧的空间
      4. 返回新的地址

在这里插入图片描述

int main() {
	//申请10个整型的空间
	//malloc(10 * sizeof(int));
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL) {
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//调整空间 - 希望变成20个整型空间
	//最好不要这么写：p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	//因为realloc可能开辟失败
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL) {
		p = ptr;
	}
	//使用

	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

relloc函数不仅可以调整空间，还可以申请空间。

relloc(NULL, 40);//等价于malloc(40)

4.常见的动态内存的错误

4.1 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
    free(p);
}

例如：

int main() {
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	
	if (p == NULL) {
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		p[i] = i;//*(p+i)
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

在使用空间的时候，如果p经过malloc后返回的是空指针，那么就会出现对NULL指针的解引⽤操作。

我们可以在前面添加一段代码，来防止这个情况发生。

int main() {
	int* p = malloc(10 * sizeof(int));
	
	if (p == NULL) {
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++) {
		p[i] = i;
	}

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

4.2 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);
}

或者：

void test()
{
    int i = 0;
    int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
    if(NULL == p)
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    for(i=0; i<=40; i++)//越界访问了，因为上面只分配了10个字节空间
    {
        p[i] = i;
    }
    free(p);
}

4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放

void test()
{
    int a = 10;
    int *p = &a;
    free(p);//err
}

4.4 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
}

4.5 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
}

4.6 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;
    }
    if (flag) {
        return;//直接返回主函数了
    }
    free(p);//并没有执行
    p = NULL;
}

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。

而且当时的动态内存的空间是通过局部变量p指针来查找的，返回主函数后我们无法再次找到这个空间。我们这个时候想释放都不能释放了。只有等到主函数结束，我们才能释放这个空间。这个空间实际上我们不需要用到，但是程序只要不停止，我们都无法释放这个空间。这个就叫内存泄漏。

有些游戏的服务器的程序可能一天24小时一直在运行，这个时候动态申请的空间可能就申请申请申请，可能就把内存耗光了。内存耗干了之后程序就挂了，机器就重启了。

动态内存管理是一把双刃剑：

  1. 它能给我们提供灵活的内存管理方式
  2. 但也会带来风险

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

5.动态内存经典笔试题分析

5.1 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);
}

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

一开始，str是存放的NULL，通过GetMemory()函数，我们把NULL传递给了p。

在这里插入图片描述

p = (char *)malloc(100);动态分配了100个字节的空间。

我们假设这段空间的起始地址是0x0012ff40，p里面存放的自然就是0x0012ff40这个地址了，因为这样才能访问到这个动态分配的空间。

可是此时，str并没有改变，还是NULL，没有指向有效的空间。

在这里插入图片描述

strcpy(str, "hello world");

strcpy想把hello world拷贝到str指向的空间去。但是str是空指针，空指针没有指向任何有效的空间，形成了对空指针的非法访问，而一旦对NULL指针解引用，程序就会崩溃。

而且上面的GetMemory()函数结束的时候没有释放动态内存空间，这就会导致内存泄漏的问题。

我们可以修改一下代码，使其合理：

改法1：

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;
}

打印：

hello world

改法2：

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

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

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

打印：

hello world

5.2 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;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

打印随机值。

一开始是这样的。

在这里插入图片描述

然后GetMemory()函数返回p的地址后，问题就出现了。

因为GetMemory()函数的空间早就释放了，此时str指向的原来的p的地址可能早就被内存里的某些东西更改过了，此时的str相当于一个野指针。

在这里插入图片描述

5.3 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);
}

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

会导致内存泄漏。

5.4 题⽬4

void Test(void)
{
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//把str指向的空间还给操作系统，无法继续使用了
    if(str != NULL)//这个可以判断，因为地址还是那个地址，只是无法使用
    {
        strcpy(str, "world");//这块空间不属于他了，拷贝不了，形成了非法访问
        printf(str);
    }
}

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

free(str);把str指向的空间还给操作系统，无法继续使用了，str就变成野指针了。

可以在free(str);后面加上一句str = NULL;

6.柔性数组

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。

也就是满足：

  1. 结构体中
  2. 最后一个元素
  3. 未知大小的数组

例如：

struct st_type
{
    int i;
    char c;
    int a[0];//柔性数组成员
    //这个0也表示数组大小未知。毕竟没有哪个数组的元素个数是0吧。
};

有些编译器会报错无法编译可以改成：

struct st_type
{
    int i;
    char c;
    int a[];//柔性数组成员
};

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：

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;
}

打印：

4

一个int类型的i就占4个字节了，所以a[0]没有计算在里面

6.2 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];
}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。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果。

代码2：

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

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));

    //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;
    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，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

因为malloc()开辟的空间是连续的，但是malloc()和malloc()之间的那块空间是有间隙的。

这些间隙可能会用不到，叫做内存碎片。

我们也可以用realloc()函数来动态调整柔性数组。

对应上面的代码1:

#include <stdlib.h>

struct S
{
    int n;
    int arr[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
    //这里malloc()开辟了4字节的int n;和80字节的int arr[0];
    if (ps == NULL) {
        perror("malloc()");
        return 1;
    }
    //使用这些空间
    ps->n = 100;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 20; i++) {
        ps->arr[i] = i + 1;
    }

    //调整ps指向空间的大小
    struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40 * sizeof(int));
    //这里用ptr这个新的指针是为了防止realloc()开辟失败，如果用ps来接收的话，
    // 开辟失败可能就变成空指针了，里面原来存的东西都没了，所以要新弄个指针来接收
    //同时，realloc()调整了原来malloc()的大小
    if (ptr != NULL) {
        ps = ptr;
        ptr = NULL;
    }
    else {
        return 1;
    }

    //使用刚刚的空间
    for (i = 0; i < 40; i++) {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }
    
    //释放空间
    free(ps);
    ps = NULL;
    return 0;
}

对应上面的代码2：

struct S
{
    int n;
    int* arr;
};

int main()
{
    struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
    if (ps == NULL) {
        perror("malloc()");
        return 1;
    }

    int* tmp = (int*)malloc(20 * sizeof(int));
    if (tmp!= NULL) {
        ps->arr = tmp;
    }
    else {
        return 1;
    }

    ps->n = 100;
    int i = 0;
    //给arr中的20个元素赋值为1~20
    for (i = 0; i < 20; i++) {
        ps->arr[i] = i + 1;
    }

    //调整空间
    tmp = (int*)realloc(ps->arr, 40 * sizeof(int));
    if (tmp!= NULL) {
        ps->arr = tmp;
    }
    else {
        perror("realloc()");
        return 1;
    }

    for (i = 0; i < 40; i++) {
        printf("%d ", ps->arr[i]);
    }

    //释放空间
    free(ps->arr);
    free(ps);
    ps = NULL;

    return 0;
}

7.总结C/C++中程序内存区域划分

在这里插入图片描述

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。《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。

标签：malloc,str,16,int,free,C语言,动态内存,空间,NULL
From： https://blog.csdn.net/hlyd520/article/details/139871073

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