【动态内存管理】

发布时间：2024年01月01日

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 };//在栈上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间有两个特点:

空间开辟的大小是固定的
数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组的空间一旦确定了大小不能调整

但是一对于空间的需求，有时候空间大小在运行的时候才能知道，这样的开辟方式就不能满足了

c语言引入了动态内存开辟，可以自己申请和释放空间，比较灵活

想学好数据结构，指针、结构体、动态内存管理都是必不可少的

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) ;

这个函数向内存申请一块在堆区的连续可用的空间，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，具体在使用的时候自己来决定
如果参数size为0，malloc的行为标准未定义，取决于编译器

2.2 free

c语言提供了另外一个函数free，专门用来做动态内存的释放和回收的，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:

int num = 10;

int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
if (NULL != ptr)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		*(ptr + i) = 0;
	}
	}else
	{
		perror("perror");	
	}

free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;

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,并且吧空间每个字节初始化为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

举个例子:

int num = 10;
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)calloc(num ,sizeof(int));
if (NULL != ptr)
{
	int i = 0;
	for (i = 0; i < num; i++)
	{
		printf("%d ", *(ptr + i));
	}
}

free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;

在这里插入图片描述

所以要对内容初始化，可以用calloc完成

3.2 realloc

realloc可以让动态内存管理更加灵活
有时候发现申请的空间太小了，有时候又太大了，为了合理分配，需要对大小做灵活的调整。那realloc函数就可以做到对内存大小的调整

函数原型：

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，要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不会变化
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，这样返回的是一个新的内存地址

由于上述两种情况，realloc函数的使用就要注意一些

int* ptr = (int*)malloc(100);
if (NULL != ptr)
{
	//业务处理
}
else
{
	return 1;
}
//扩展容量
//代码1 - 直接将realloc的返回值放在ptr中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中,不为NULL,在放ptr中
int* p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if (p != NULL)
{
	ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
ptr = NULL;

4. 常见的动态错误

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 § ;
}

上述指针可能申请失败，所以直接使用可能会出现问题

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);
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

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§ ;
free§ ; //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;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
	//未释放
}

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

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);
}

分析

?程序运行崩溃，因为p是形参，是对str的一份拷贝，申请空间是对p赋值。而str的地址仍是空，所以拷贝字符串的解引用操作会崩溃，可以在拷贝前打印一下str的地址证明

5.2 题目2：

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

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

分析

?返回栈空间地址，栈空间已经被释放，有可能被覆盖，所以打印出的是乱码

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);
}

分析
?上述代码没有释放空间和置空

5.4 题目4:

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

分析

?指针已经释放了，为了安全，野指针不能继续进行操作

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【柔性数组】成员

例如：

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

有些编译器无法编译可以改为:

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

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，最后一个数组元素
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体的大小，以适应柔性数组的预期大小

例如：