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C语言深入细致讲解动态内存管理

2024-04-02 19:55

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为什么存在动态内存管理

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。

动态内存函数的介绍

malloc

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。

free

讲完了malloc这个动态内存函数我们就得来讲讲另一个动态内存函数free，C语言提供的另外一个函数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。

举个例子来看看这两个函数怎么用：

#include <stdio.h>
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0；
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

calloc

除了malloc这个函数，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);

该函数的功能是为 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)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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。

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

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。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：

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr != NULL)
    {
        //业务处理
    }
    else
    {
        perror("malloc)//打印错误信息;
    }
    //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;
}

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，所以在这之前我们需要对返回值进行判断
 free(p);
 p=NULL;
}

正确写法：

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
if(p!=NULL)
{
  *p = 20;
}
 free(p);
 p=NULL;
}

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)
 {
 perror("malloc)//打印错误信息;
 }
 for(i=0; i<=10; i++)
 {
 *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
 }
 free(p);
}

正确写法：

void test()
{
 int i = 0;
 int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
 if(NULL == p)
 {
 perror("malloc)//打印错误信息;
 }
 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访问

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//p指向的是非动态内存，free只能用于动态内存的释放
}

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
}

free函数要从动态内存的起始地址开始释放

对一块动态内存多次释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 p=NULL;
 free(p);//重复释放
 p=NULL;
}

对动态内存开辟忘记释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 if(NULL != p)
 {
 *p = 20;
 }
}
int main()
{
 test();
 while(1);
}

动态开辟内存如果忘记释放会造成内存泄漏。所以开辟的空间在用完之后一定记得释放，并且正确释放。

接下来再来看看一个题目，也是一个常见的错误：

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

柔性数组

或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。

举个例子：

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;
}

柔性数组的使用：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}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);
  p=NULL;
  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。

柔性数组的优势：

//非柔性数组开辟空间
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;
}

//柔性数组开辟空间
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}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);
  p=NULL;
  return 0;
}

上述代码1 和代码2 可以完成同样的功能，但是方法2 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