C语言从入门到实战——动态内存管理

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前言

在C语言中，动态内存管理是指程序运行时，通过调用特定的函数动态地分配和释放内存空间。动态内存管理允许程序在运行时根据实际需要来分配内存，避免了静态内存分配在编译时就确定固定大小的限制。

C语言中动态内存管理主要通过以下两个函数来实现：

1. malloc函数：malloc函数用于动态分配内存空间，其函数原型为void *malloc(size_t size)。该函数从堆中分配size个字节的连续内存空间，并返回指向该内存空间的首字节的指针。如果分配失败，则返回NULL。

2. free函数：free函数用于释放之前通过malloc函数分配的内存空间，其函数原型为void free(void *ptr)。该函数将ptr指针所指向的内存空间释放，并将该内存空间标记为可用，可以被后续的malloc函数重新分配。

使用malloc和free函数可以实现动态内存的分配和释放，但需要注意以下几点：

1. 使用malloc函数分配内存后，需要检查返回值是否为NULL，以确保内存分配成功。如果返回值为NULL，说明内存分配失败。

2. 在使用完动态分配的内存后，需要及时调用free函数释放内存空间，避免内存泄漏。

3. 动态内存分配后，需要确保在不再使用该内存空间时释放内存，否则会造成内存泄漏，导致程序运行过程中内存不断被占用，最终导致系统内存耗尽。

4. 动态内存分配的空间大小可以根据实际需要进行调整，灵活地满足程序的需求。

总的来说，C语言的动态内存管理能够提供灵活的内存分配和释放机制，可以有效地管理内存资源，提高程序的执行效率和可扩展性。但在使用过程中，需要注意合理分配和释放内存，并避免内存泄漏的问题。

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一、 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。

二、 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。

malloc生成的空间是在堆区

使用malloc开辟0空间是没有意义的，不同编译器会出现不同的结果

int * p = (int* )malloc(0);
if(p == NULL)
{
	perror("malloc : ");
	return 1;
	}

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 <stdio.h>
#include <stdlib.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) //判断ptr指针是否为空
	{
	int i = 0;
		for(i=0; i<num; i++)
		{
			*(ptr+i) = 0；
		}
	}
	free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL; //是否有必要？
	return 0;
}

free 会将开辟的空间返回，但是p 还是指向那个空间的起始位置，所以我们需要将p置为NULL，才保证不会出现野指针

	释放空间
free(p);
p = NULL;

三、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：

#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;
}

输出结果：

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int *ptr = (int*)malloc(100);
	if(ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//扩展容量
	//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); //这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
	//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);
	return 0;
}

realloc 使用要基于已开辟的空间，及被malloc，calloc，realloc开辟过,realloc除了开辟空间外，还可以实现和malloc一样的功能

int* p = (int* )realloc(NULL,100); //等价于int* p = (int* )malloc(100);
if(p == NULL)
{ 
 	perror(" realloc :");
 	}
 free(p);
 p = NULL;

在VS2022中，出现如图所示的情况，一般都是没有进行开辟空间没有判断，但也会出现编译器自己识别错误的原因，因为机器始终不是万能的，所有的事物都会出现一些bug。

四、常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

没有对开辟空间是否为空进行判断

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);
}

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

free函数只能释放堆区的内存，不能释放栈区的内存。根据引用和引用的内容，可以得出以下结论：

1. free函数不能释放在栈上开辟的内存。因为栈上的内存是由系统自动管理的，不需要手动释放。
2. free函数主要用于释放malloc、calloc和realloc函数动态分配的堆内存。
3. delete操作符一般用于释放new操作符动态分配的堆内存。

所以，free函数只能释放堆区的内存，不能释放栈区的内存。

void test()

{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p); //ok?
}

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

系统释放空间的方式有两种：第一种是在栈区上，系统会在程序结束后自己释放，第二种便是堆区

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;
	}
}
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。

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

五、动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1：

调用函数传入指针，都是一级指针，按照变量来理解，需要用到二级指针来接收地址，不然如下p只是str的一份临时拷贝，而改变不了str

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

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？

5.2 题目2：

p是临时变量，从函数出去后，系统会自动释放空间

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？

5.3 题目3：

malloc函数是可以使用变量的

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果？

5.4 题目4：

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

请问运行Test函数会有什么样的结果？

六、 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。

在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;

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;
}

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]; //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);
	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 方法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?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，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

扩展阅读：C语?结构体?的数组和指针

七、 总结C/C++中程序内存区域划分

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。
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。