20 动态内存管理

目录

一、为什么要有动态内存管理

二、malloc 和 free

（一）malloc

（二）free

三、calloc 和 realloc

（一）calloc

（二）realloc

四、常见的动态内存错误

（一）对NULL指针的解引用操作

（二）对动态开辟空间的越级访问

（三）对非动态开辟内存使用free释放

（四）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

（五）对同一块动态内存多次释放

（六）动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

五、动态内存经典笔试题分析

（一）题目一

（二）题目二

（三）题目三

（四）题目四

六、柔性数组

（一）柔性数组的特点

（二）柔性数组的使用

（三）柔性数组的优势

        1、方便内存释放

        2、利于访问速度

七、总结C/C++中程序内存区域划分

一、为什么要有动态内存管理

        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

（一）malloc

        malloc：

        第一个字母m是：memory，空间；

        后面的alloc：allocate：开辟；连起来就是开辟空间。

        malloc 函数的一般形式如下：

void* malloc (size_t size);

        这个函数向内存申请一块大小为 size 字节的连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

        ① 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。

        ② 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。

        ③ 返回值的类型是void* ，所以 malloc 函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候由使用者自己来决定。

        ④ 参数的单位是字节，使用 sizeof 类型进行空间计算会很方便；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。

        ⑤ 为了后续空间的方便使用，一般不直接使用void* 指针来进行返回值的接收，而是直接使用想要设计的指针来接收，等号右边把 malloc 强制转化为对应的指针类型即可。

        ⑥ 申请的空间的地址是连续的，可以类似数组一样使用该空间，但与数组有区别：

                · malloc申请的空间是动态内存，可调节，而数组不可调节；

                · 开辟空间的位置不同：malloc开辟的空间在堆区，而数组是栈区。

（二）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。

         • 参数是任意类型的指针，把指针指向的空间还给操作系统。

         • 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，不能对固定内存进行释放操作。

         • 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。

        例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>int main()
{int num = 0;scanf("%d", &num);int* ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("malloc:");return 0;}for (int i = 0; i < num; i++){*(ptr + i) = i;}free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

        注意：

        free之后，参数的指针还指向被释放的空间，但这块空间不属于当前程序了，所以该指针成为了野指针，要赋值 null ！

        如果不释放的话，程序结束的时候也会被操作系统自动回收，但这样内存会被浪费。  

        malloc 和 free 最好成对使用！
 

三、calloc 和 realloc

（一）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 字节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。

        使用演示如下：

int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc:");return 0;}else{for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}}free(p);p = NULL;return 0;
}

        输出结果为：

        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。

（二）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，那为了合理的使用内存，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。

        函数的原型如下：

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，单位是字节

        • 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。

                如下：

                情况1：

                原有空间之后有足够大的空间，直接把扩容的内存拼接到旧内存处，使整体内存大小达到目标内存的大小，原来空间的数据不发生变化。

                情况2：

                原有空间之后没有足够大的空间时，扩展的方法是：在堆区找一块新的满足目标大小的空间，然后把旧数据拷贝到新空间，把旧空间自动释放，最后返回新空间的起始地址。

        注意：

        最好不要用旧的指针变量进行接收，因为开辟失败就会变成空指针，弄丢旧的数据；

        需要创建新的指针进行接收，同时要进行成功或失败的判断，然后再把新创建的指针赋给旧指针。

        如下演示：

#include<stdlib.h>int main()
{int* p = (int*)malloc(5*sizeof(int));if (NULL == p){perror("malloc:");return 1;}else{//业务代码}int* p2 = NULL;p2 = (int*)realloc(p, 40);if (NULL == p2){perror("realloc:");return 1;}else{p = p2;}//业务代码free(p); p = NULL;return 0;
}

四、常见的动态内存错误

（一）对NULL指针的解引用操作

void test1()
{int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);*p = 20;free(p);
}

        解析：如果p的值是NULL，就会有问题；且最后不对p进行赋NULL操作。

（二）对动态开辟空间的越级访问

void test2()
{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;}free(p);p = NULL;
}

        解析：当i是10的时候越界访问。

（三）对非动态开辟内存使用free释放

void test3()
{int i = 0;int* p = &i;free(p);
}

（四）使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

void test4()
{int* p = (int*)malloc(100);p++;free(p);
}

        解析：p不再指向动态内存的起始位置。

（五）对同一块动态内存多次释放

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

（六）动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test6()
{int* p = (int*)malloc(100);if (NULL != p){*p = 20;}
}
int main()
{test();return 0;
}

        解析：

        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

（一）题目一

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：实参传给形参，形参是实参的一份拷贝，GetMemory函数创建出一个新的指针p来接收创建出来的动态内存，这样p指针可以找到该动态内存，但是str指针找不到；

        当该函数运行结束，str仍然是空指针，就会造成对空指针的解引用操作，程序就会崩溃，且并没有对指针p进行free操作，造成内存泄漏。 

        正确修改：进行地址传递给GetMemory函数，后面 printf 完 str 之后，进行free与赋NULL操作。

（二）题目二

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：GetMemory函数中创建的数组是在栈上创建的，出了GetMemory函数就会销毁，所以该函数会返回一个野指针。

（三）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(str);
}
int main()
{Test();return 0;
}

        解析：能正常打印出hello，但是没有对不再使用的动态开辟出来的空间进行释放，导致内存泄漏。

        正确修改是进行free与赋NULL操作。

（四）题目四

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：第一次free操作之后str指向的空间还给了操作系统，无法继续使用，但str仍然指向该空间，为野指针，若对该指针继续进行使用，就形成了非法访问

        正确修改应该是free操作之后要赋空值NULL给str。

六、柔性数组

        C99 中，结构体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。

struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组
};

        有些编译器会报错无法编译可以改成：

struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组
};

（一）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));return 0;
}

        结果为：

（二）柔性数组的使用

        使用例如下：

#include<stdlib.h>typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{type_a* p = malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));p->i = 5;for (int i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}

（三）柔性数组的优势

        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，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。

        2、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。

七、总结C/C++中程序内存区域划分

        内存中的分区如下所示：

        C/C++程序内存分配的几个区域：
        ①  内核空间：专门留给操作系统内核的。
        ② 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 。
         ③ 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。
        ④ 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。
        ⑥ 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）和只读常量的二进制代码，代码段的数据是不能篡改的 。

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