动态内存管理（C语言进阶版）-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了动态内存管理（C语言进阶版）。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

📙 作者简介：RO-BERRY
📗 学习方向：致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识
📒 日后方向 : 偏向于CPP开发以及大数据方向，欢迎各位关注，谢谢各位的支持

动态内存管理（C语言进阶版）,c语言,开发语言
现在的偷懒会在以后还给你，只有多学多做才不负韶华，在默默无闻的地方发芽开花

前言

我们已经掌握的内存开辟方式有：
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。这时候就只能试试动态存开辟了。

1.动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free

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。

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。
如果我们一开始不知道我们需要给数组给多大，如果给大了，内存会浪费，给小了，会存不下
举个例子：

#include<stdio.h>
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);     //理论上我们使用num来存放我们想要的数组大小
	int arr[num] = { 0 };  //我们可以在程序里面输入大小，也方便
	return 0;
}

可是这样是不符合C语言标准的
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编译器说我们的表达式必须为常量值，不能是变量
这时候我们就应该使用我们的动态开辟函数：malloc

#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));   //malloc申请了num个int大小的字节
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空       //而malloc返回值为void*，我们需要将其转成int*
	{
		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;
	return 0;
}

malloc在申请了空间后，直接返回这块空间的起始地址，而且是不会初始化内存空间的

我们使用malloc开辟了空间，使用完了之后一定要free掉，它是不会自己还给内存空间的

这里有人会问，ptr指向的动态内存都释放了，我们还需要将ptr赋值为空(NULL)吗?

答案是肯定的，这是我们使用动态内存分配的必不可少的一步，我们将ptr指向的动态内存释放了，那么我们的ptr指向的是什么呢？ptr指向的空间没有了，那么ptr就成了野指针，为了防止这种情况，我们需要将ptr指向空

1.2 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。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：
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内存开辟成功了

我们可以看到内容都被初始化为0了
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。

1.3 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。
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：

#include <stdio.h>
#include<malloc.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理   失败即为空指针
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);     
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//我们将申请的空间初始化为1000，这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

我们来运行代码看看详细：
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当我们初始化ptr后，可以看到ptr指向的内存空间地址是 0x000001931e9d34a0
让我们relloc多开辟一些空间：
程序往下面走

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我们可以清楚的看到。ptr指向的内存空间地址发生了改变，从 0x000001931e9d34a0变成了 0x000001931e9da2e0
为什么指向的内存空间地址会发生改变呢？
让我们来画图看看：

2.常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

让我们来看一段代码：

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);
}

在这段代码里，我们的malloc是可能会返回空指针的，也就是说p有可能指向NULL,我们在下面使用*p解引用的时候，对空指针解引用是会出现问题的，所以我们需要进行检查

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
	//*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

2.2 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);
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

free函数是只能进行动态开辟的空间释放的，因为他们是存在不同的空间里

2.4 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
}

free不可以只释放申请空间里的一部分，只能整个free

2.5 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
}

2.6 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。

3. 几个经典的笔试题

3.1 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);
}

我们最终可以打印出来str吗？如果不能程序会出现什么状况呢？

让我们来看看结果：
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程序无法运行
这是为什么？

我们的p指向了一块空间，与str完全没有关系，str依然指向的是空指针，最后就造成了str的空指针访问
这个程序有两个问题：

对NULL指针进行了解引用操作，程序会崩溃
没有释放空间，内存泄漏的问题

3.2 题目2：

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？
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语法没有问题但是输出的是我们的烫烫烫哥，我们以前说过，只有乱码的时候才会输出我们的烫哥，今天为什么会输出我们的烫哥呢？

我们再来看一看程序：
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所以我们的str为一个野指针，输出的结果也就是我们的烫烫烫哥

3.3 题目3：

void GetMemory(char **p, int num)  //使用二级指针接受str的地址
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

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似乎好像一切正常啊，也能正常输出，其实还是有问题的，那就是我们没有释放空间，没有free掉，这种错误是程序不会报错，但是会影响结果的。
我们要注意

3.4 题目4：

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

在这里，我们的代码在很早就free掉了str，而系统是不会自动将str置为NULL的，所以程序能走进if语句中，但是str的内容早就已经释放掉了，自然会报错，我们正确的解法应该是在free之后，自动将str赋值为NULL，以防变成野指针

4. C/C++程序的内存开辟

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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在《C语言初识》中讲的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。

5. 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。

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;

5.1 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;

printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

5.2 柔性数组的使用

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);

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。

5.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

#include<stdio.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;
}

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：文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-639869.html

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，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）

到了这里，关于动态内存管理（C语言进阶版）的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！