C语言——动态内存管理

引言

在编程中，动态内存管理是一个至关重要的概念，它对于开发高效、灵活且可扩展的程序至关重要。接下来我们就来学习一下C语言——动态内存管理的知识。

为什么需要动态内存分配

我们现在已经掌握了两种内存开辟的方法：

#include<stdio.h> int main() { 	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 	return 0; }

上述的开辟内存的方法为静态开辟内存。

这种方法存在两个缺点：

（1）空间开辟的大小是固定的。

（2）数组在声明的时候，必须要指定数组的长度，数组的长度一旦确定就不能修改。

有时候我们可能会遇到：需要的空间大小不能确定的情况，此时使用静态开辟内存就无法解决问题。

为了解决这类问题，C语言引进了动态内存开辟，也就是我们今天要重点学习的内容。

动态内存

与动态内存相关的函数声明均在<stdlib.h>中。

1.perror函数

在学习动态内存开辟函数和释放函数之前，我们可以先学习一下perror函数。

perror是C语言标准库中的一个函数，用于错误处理和调试。

perror包含在头文件<stdio.h>中。

函数声明为：void perror ( const char * str );

        str – 这是 C 字符串，包含了一个自定义消息，将显示在原本的错误消息之前。

作用：把一个描述性错误消息输出到标准错误 stderr。首先输出字符串 str，后跟一个冒号，然后是一个空格。

返回值：无返回值。

2.动态内存开辟函数

2.1 malloc

(1)malloc的用法

malloc函数可以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。

函数原型为：

void* malloc (size_t size);

参数：

size 是一个无符号整数，指定了要分配的内存块的大小（以字节为单位）。如果参数 size 为0，那么malloc的行为是未被定义的，取决于编译器。

返回值：

返回一个指向分配的内存块的指针。返回值为void*，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体需要根据使用者的需求去决定。

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。

(2)malloc的使用

我们可以将malloc和perror结合使用：

#include <stdio.h>   #include<stdlib.h>  int main() { 	int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);     //开辟5个大小为整型的空间     //返回类型强制转换为(int*) 	if (arr == NULL) 	{ 		perror("malloc fail:");//如果开辟失败则打印错误信息 		return 1; 	} 	//存储数据 	for (int i = 0; i < 5; i++) 	{ 		arr[i] = i; 	} 	//打印数据 	for (int i = 0; i < 5; i++) 	{ 		printf("%d ", arr[i]); 	}  	return 0; }

输出结果为：

2.2 calloc

(1)calloc的用法

calloc函数同样可以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。

函数原型为：

void* calloc (size_t num, size_t size);

参数：

num：指定要分配的元素数量。

size：指定每个元素的大小。

返回值：

返回一个指向分配的内存块的指针。返回值为void*

但与malloc函数不同的是：calloc会将申请的空间中的每个字节都初始化为0

由此我们得知：calloc不仅分配内存，还负责初始化内存，这是它与malloc的一个重要区别。

(2)calloc的使用

#include <stdio.h>   #include<stdlib.h>  int main() { 	int* arr = (int*)calloc(5, sizeof(int)); 	//开辟5个大小为整型的空间 	//返回类型强制转换为(int*) 	if (arr == NULL) 	{ 		perror("calloc fail:");//打印错误信息 		return 1; 	} 	return 0; }

我们通过监视窗口来观察一下：

2.3 realloc

(1)realloc的用法

realloc函数用于重新分配之前已经分配的内存块的大小。

函数原型为：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

参数：

ptr：指向已分配的内存块的指针。如果ptr为NULL，则realloc的行为与malloc相同，分配一块新的内存空间。

size：新的内存块的大小（以字节为单位）。

返回值：

该函数返回一个指针 ，指向重新分配大小的内存。如果请求失败，则返回 NULL。

这个函数在调整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在调整内存空间之后存在两种情况：

情况1：本地扩容

原有空间之后有足够大的空间，直接在原有内存之后直接追加空间，原有的数据不发生变化。

情况2：异地扩容

原有空间之后没有足够大的空间时，在堆空间上另外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。

(2)realloc的使用

由于在扩展空间时会出现两种情况，因此我们使用realloc的时候就需要注意，避免出错。

int main() { 	int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); 	//开辟十个大小为整型的空间 	//返回类型强转为int* 	if (arr == NULL)//如果开辟失败 	{ 		perror("malloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	//继续新增空间 	int* tmp = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 15); 	//不用arr是为了防止开辟失败，被至为NULL 	if (tmp == NULL)//如果开辟失败 	{ 		perror("realloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	arr = tmp; 	return 0; }

如果新增内存较小时一般是在原有基础上新增空间。两者地址相同。

如果我们把开辟的空间比较大：

int* tmp = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 150);

新增内存较大时则会重新开辟一段空间，将原来的空间释放。两者地址不同。

3.动态内存释放函数

1.free函数

(1)free的用法

C语言提供了另外一个函数free，专门用于做动态内存的释放的回收。

函数原型为：

void free (void* ptr);

参数：

ptr： 指针指向一个要释放内存的内存块，该内存块之前是通过调用 malloc、calloc 或 realloc 进行分配内存的。如果传递的参数是一个空指针，则不会执行任何动作。

作用：

释放之前调用 calloc、malloc 或 realloc 所分配的内存空间。

返回值：

该函数不返回任何值。

(2)free的使用

代码如下：

int main() { 	int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); 	//开辟十个大小为整型的空间 	//返回类型强转为int* 	if (arr == NULL)//如果开辟失败 	{ 		perror("malloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	//继续新增空间 	int* tmp = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 150); 	//不用arr是为了防止开辟失败，被至为NULL 	if (tmp == NULL)//如果开辟失败 	{ 		perror("realloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	arr = tmp; 	free(arr); 	arr = NULL; 	return 0; }

常见的内存分布

C语言中的内存分布主要可以分为以下几个区域，这些区域由操作系统进行管理，用于存储不同类型的数据和代码。

1.栈区：用于存储函数内的局部变量、函数参数以及函数调用的返回地址等信息。

2.堆区：用于存储程序运行时动态分配的内存。

3.静态区：用于存储全局变量和静态变量（包括静态局部变量和全局静态变量）。

常见的动态内存的错误

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(p); }

1.INT_MAX是一个宏定义，他表示整型的最大值，值为2147483647。

2.malloc申请的空间太大导致内存开辟失败，失败返回NULL

3.系统无法访问到NULL指针指向的地址，这时编译器就会报警告

我们要对代码进行修改：

void test() {     int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);     if (NULL == p)     {         perror("malloc fail: ");//打印错误信息         return 1;     }     *p = 20;     free(p);     p = NULL; }

这就体现出判断空指针的重要性了

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) 	{ 		perror("malloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	for (i = 0; i <= 10; i++) 	{ 		*(p + i) = i; //当i是10的时候越界访问 	} 	free(p);     p=NULL; }

malloc开辟的空间只有10个，但是for循环循环了十一次，这时就会越界访问。

修改方法：

void test() { 	int i = 0; 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); 	if (NULL == p) 	{ 		perror("malloc fail: ");//打印错误信息 		return 1;//直接返回 	} 	for (i = 0; i < 10; i++) 	{ 		*(p + i) = i;  	} 	free(p); 	p = NULL; } 

3.对非动态开辟内存使用free释放

void test() { 	int a = 10; 	int* p = &a; 	free(p);     p=NULL; }

1.free函数只能释放有动态内存开辟在堆上的空间。

2.p开辟的空间在静态区，free函数无法释放。

修改方法：

void test() { 	int a = 10; 	int* p = &a; }

动态内存开辟的空间不需要释放

4.使用free函数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 	p = NULL; }

1.p++跳过了一个整型大小的空间。

2.free函数释放p只会释放当前位置开始之后的空间，这导致有一个整型大小的空间未被释放，导致内存泄漏。

修改方法：

void test() { 	int* p = (int*)malloc(100); 	free(p);  	p = NULL; }

我们要注意不能随意改变p指向的位置，开辟多少内存就释放多少

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 }

1.p已经被释放归还给操作系统，但是此时p还指向该内存，是一个野指针。

2.再次释放p就会出现内存出错问题。

修改方法：

void test() { 	int* p = (int*)malloc(100); 	free(p); 	p = NULL; }

6.动态开辟内存没有释放

void test() { 	int* p = (int*)malloc(100); 	if (NULL != p) 	{ 		*p = 20; 	}//内存泄漏 } 

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会导致内存泄漏

修改方法：

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

动态开辟的内存一定要释放，并且正确释放

动态内存经典笔试题分析

1.题目一

void GetMemory(char* p) { 	p = (char*)malloc(100); } void Test(void) { 	char* str = NULL; 	GetMemory(str); 	strcpy(str, "hello world"); 	printf("%s\n",str); }

我们来分析一下：

1.空间非法访问：

使用传值调用时，形参只是实参的临时拷贝，对形参的改变无法影响实参，这时str仍是空指针，而strcpy拷贝会对空指针进行解引用操作，对NULL指针解引用会出错。

2.空间内存泄漏：

在GetMemory()函数内部动态申请了100字节的空间，因为p随着函数结束而被销毁，所以已经再也找不到该空间，会造成内存泄漏。

修改方法：

1.我们要使用传址调用，str本身是指针变量，传递指针变量的地址需要使用二级指针。

2.释放申请的空间

代码如下：

void GetMemory(char** p) { 	*p = (char*)malloc(100); }   void Test(void) { 	char* str = NULL; 	GetMemory(&str); 	strcpy(str, "hello world"); 	printf("%s\n",str); 	free(str); 	str = NULL; }

2.题目二

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

我们来分析一下：

等GetMemory函数返回后，使用str访问p数组，这是非法访问：局部变量离开作用域就会返还给操作系统，此时str就会变成野指针。

修改方法：

我们可以把p的值放在静态区，可以使用static或者常量字符串。

代码如下：

const char* GetMemory1(void) { 	const char* p = "hello world"; 	return p; } char* GetMemory2(void) { 	static char p[] = "hello world"; 	return p; }  void Test(void)  {     const char* str = NULL;      str = GetMemory1();     printf("%s\n", str);     str = GetMemory2();     printf("%s\n", str); }

3.题目三

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

分析：

又是十分经典的问题：内存没有释放。

修改方法：

把开辟的空间及时释放。

代码如下：

void Test(void) { 	char* str = NULL; 	GetMemory(&str, 100); 	strcpy(str, "hello"); 	printf("%s\n",str); 	free(str); 	str = NULL; }

4.题目四

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

分析：

str所开辟的空间已经归还给了操作系统，这时再将world拷贝进str就会出错。

修改方法：

归还内存之后随手将其值为NULL指针。

代码如下：

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

柔性数组

1.什么是柔性数组

在C99中，结构体中的最后一个元素允许是位置大小的数组，这就是【柔性数组】成员

举个例子：

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，可以改成：

typedef struct st_type { 	int i; 	int a[];	//柔性数组成员 }type_a;

2.柔性数组的特点

1.结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
2.sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
3.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)); 	return 0; }

输出结果为：4

3.柔性数组的使用

// 代码1 typedef struct st_type  {     int i;     int a[];  } type_a;  int main()  {     int i = 0;     type_a* p = malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));      if (p == NULL)      {         return;      }     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。

4.柔性数组的优势

我们来看这段代码：

// 代码2 typedef struct st_type  {     int i;     int* p_a; } type_a;  int main()  {     type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));     if (p == NULL)     {         perror("malloc fail:");         return;     }     p->i = 100;     p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));     if (p->p_a == NULL)     {         perror("malloc fail:");         return;     }     for (int i = 0; i < 100; i++)     {         p->p_a[i] = i;     }      free(p->p_a);     p->p_a = NULL;     p = NULL;     return 0; } 

代码1 和 代码2 都能实现同样的功能，但是 代码1 的实现有两个好处：

1.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，容易造成内存泄漏。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。

2.有利于访问速度

连续的内存有利于提高访问速度，也有利于减少内存碎片。

结束语

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