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一篇博客学会系列（3） —— 对动态内存管理的深度讲解以及经典笔试题的深度解析

2023-10-07 06:13

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3.4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

动态内存管理

动态内存管理就是对堆区进行管理和操作，本篇博客将带领大家学习在堆区中创建空间、使用空间以及释放空间。

1、为什么存在动态内存管理

常见的内存开辟方式：

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，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。

正因为如此，C语言给了程序员一种权利：能够动态申请和管理内存空间。这时候就需要使用到动
态内存开辟了，而这就是为什么会有动态内存分配的原因，下面我们来一起学习动态内存管理。

2、动态内存函数的介绍

2.1、malloc和free

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。

包含头文件
malloc函数如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
malloc函数如果开辟失败，例如开辟空间过大时，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查，否则会出现对空指针的解引用操作。
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，取决于编译器的处理方式。

【举例说明】

int main(){//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}return 0;}

动态内存函数申请的空间，都需要手动释放。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。

free函数用来释放动态开辟的内存
包含头文件
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。

【举例说明】

int main(){//申请一块空间，用来存放10个整型int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);if (p == NULL){perror("malloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放free(p);p == NULL; //虽然已经free释放了，但是p指针依然指向那个空间，此时p就是野指针了                //为了防止再使用p访问该空间，将它置成NULL最为合适。return 0;}

【运行结果】

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。

包含头文件
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。
malloc和calloc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。

【举例说明】

int main(){int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//释放free(p);p == NULL;return 0;}

【运行结果】

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。

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：

原有空间之后有足够大的空间
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。将旧空间中的数据拷贝到新的空间中，释放掉旧的空间，然后返回新空间的地址，这样函数返回的是一个新的内存地址。

【举例说明】

注意：realloc也可能开辟空间失败，失败是返回NULL。因此不能直接将realloc开辟的空间直接赋值给原指针p，因为这样做会导致当realloc开辟失败时p直接被置成NULL了，那么就意味着不但realloc没有调整大小，反而把p原有的内容丢失了。所以此处需要用一个tmp先接收返回值，当判断了返回值不为NULL时再将tmp赋值给p。

int main(){int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;   //如果为空则不执行下面的代码直接跳出}//使用int i = 0;for ( i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//空间不够，realloc调整为20个intint* tmp = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (tmp != NULL){p = tmp;}    //使用//释放free(p);p == NULL;return 0;}

3、常见的动态内存错误

3.1、对NULL指针的解引用操作

int main(){int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);//不做返回值判断，就可能使用NULL指针*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题free(p);    return 0;}

3.2、对动态开辟空间的越界访问

int main(){int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){return 1;}for (i = 0; i <= 10; i++){*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);return 0;}

3.3、对非动态开辟内存使用free释放

free只能用于释放malloc、calloc、realloc开辟的空间。

int main(){int a = 10;int* p = &a;free(p);//错误操作return 0;}

3.4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分

只释放一部分会报错。尽量避免让p自己移动位置，如果非要移动，应该再定义一个指针，让新定义的指针动。

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;}

3.5、对同一块动态内存多次释放

重复释放会导致报错，而为了防止对p进行重复释放，就应该使用free和NULL组合，即free(p); p = NULL;。当p被置成空指针后再对其进行free不会有任何问题。

因为上文讲解free时说过：free中如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

int main(){int* p = (int*)malloc(100);free(p);free(p);//重复释放return 0;}

【正确做法】

int main(){int* p = (int*)malloc(100);free(p);p = NULL;free(p);//重复释放return 0;}

3.6、动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

在test内使用malloc开辟的空间，在没有free释放之前退出了test，一旦退出了test并且没有通过return带回指针p，那么该空间就永远没有人能找得到了，变成垃圾保存在内存中，造成内存泄漏，这是非常可怕的。

void test(){int* p = (int*)malloc(40);if (NULL != p){*p = 20;}}int main(){test();while (1)//这里表示程序还在一直运行，不会结束，例如服务器{;}return 0;}

4、动态内存的经典笔试题

以下这些题的原题出自：《高质量C/C++编程》

【题目1】

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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;}

【解析】

程序崩溃，内存泄漏，所以不会打印任何内容。

GetMemory的参数是指针，指针内的内容是NULL，即此时形参p也存放着一个NULL，然后用malloc给p开辟了100字节的空间，将这100个字节的空间的首地址存入p指针中，p就指向了这100个字节的空间。此时GetMemory函数完成操作后并没有free释放空间或者return返回指向空间的地址就退出函数了，那么由p指向的这块空间就存在内存泄漏的问题，因为是值传递这里改变p并不会影响str，此时str仍然是空指针NULL，无法正常进行strcpy操作，发生了程序对NULL的解引用操作，程序崩溃。

【题目2】

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

char* GetMemory(void){char p[] = "hello world";return p;}void Test(void){char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);}int main(){Test();return  0;}

【解析】

打印出乱码。

数组开辟在栈区当中，并且在GetMemory内创建，出了GetMemory函数就销毁。当用return返回p时，虽然p指向的地址值被返回了，但是p指向的地址的内容在出了GetMemory函数后已经被销毁，此时str接收到的指针是野指针，而对野指针操作就是非法访问内存。

这类问题统称返回栈空间地址的问题。

【题目3】

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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;}

【解析】

可以成功打印hello。

此处GetMemory的参数为传址调用，*p就等于str，因此对*p进行动态内存开辟就等于对str动态内存开辟，所以可以正常打印处hello。但是malloc动态开辟的空间并没有用free释放，存在内存泄漏的风险。

【题目4】

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

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;}

【解析】

str指向malloc开辟的空间，当使用free释放str，但是并没有对str置空，即str = NULL；，此时str是一个内容不为空的野指针，if(str != NULL)为真，因此会执行if中的strcpy，对野指针进行操作导致非法访问内存，此时程序崩溃，不会执行printf打印语句。

总结：需要牢记，free和NULL要配套使用，释放完空间之后立即将指针置空，可以避开很多错误。

5、C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

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。
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。
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。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

有了这幅图，我们就可以更好的理解 static关键字 修饰局部变量的例子了。

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。

6、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。

【举例说明】

struct S{int i;int a[];//柔性数组成员————未知大小的数组};

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。

【举例说明】

struct S{int i; //int是4个字节int a[];//并没有计算该数组大小};int main(){printf("%d\n", sizeof(struct S));  //结果就为4return 0;}

到这里也就能理解了为什么结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员，因为如果前面根本没有其他成员，那么sizeof就无法计算出大小。

6.2、柔性数组的使用

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。

【举例说明】

简单来说就是：如果想要给数组开辟20个字节的空间，那么malloc开辟的时候必须加上其他成员的大小，也就是sizeof(struct S)的大小，即一次开辟了24个字节的空间，前面4个字节供成员 i 使用。

struct S{int i;int a[];//柔性数组成员};int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}    free(ps);ps = NULL;return 0;}

同样的，当开辟的空间不够，使用realloc调整大小时也需要加上其他成员的大小：

int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}//调整大小 20->40struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40);//4+40if (ptr != NULL){ps = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}free(ps);ps = NULL;return 0;}

6.3、柔性数组的优势

当讲解完柔性数组之后，有读者就会产生疑惑了，这个柔性数组感觉还挺麻烦的，那么它到底有什么优势呢？接下来我就用两段代码比较让大家知道柔性数组的优势。

【代码1】

使用指针a模拟柔性数组，对指针进行动态开辟。

struct S{int i;int* a;};int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc1");return 1;}ps->a = (int*)malloc(20);if (ps->a == NULL){perror("malloc2");return 1;}//使用//....//释放free(ps->a);ps->a = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;}

【代码1内存图解】

【代码2】

struct S{int i;int a[];//柔性数组成员};int main(){struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20); //4+20if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}//使用//....//释放free(ps);ps = NULL;return 0;}

【代码2内存图解】

上面的【代码1】和【代码2】完成的功能都是一致的，【代码1】就是在不使用柔性数组时要完成该功能的基本写法。

但是我们能看出一些不同：

【代码1】中需要先给结构体动态开辟一块空间，然后再对结构体中的a指针再动态开辟一块空间，这里就使用了两次malloc来动态开辟，增加了代码量。而使用了柔性数组的【代码2】只需要对结构体整体使用malloc动态开辟一次适合的大小即可。
【代码1】中由于malloc开辟了两次空间，因此也需要使用两次free释放空间，并且释放顺序还不能错，必须先释放成员a指向的空间，再释放结构体空间。而【代码2】只需要释放一次。

因此使用柔性数组实现有两个好处：