【C语言】动态内存管理及相关笔试题

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文章目录

  • 一、为什么有动态内存分配
  • 二、malloc和free
    • 1.malloc函数的使用
    • 2.free函数的使用
  • 三、calloc和realloc
    • 1.calloc函数的使用
    • 2.realloc函数的使用
  • 四、常见动态内存分配的错误
  • 五、动态内存经典笔试题
    • 题1
    • 题2
    • 题3
  • 六、总结C/C++中程序内存区域划分

一、为什么有动态内存分配

   我们之前已经学过一些开辟内存的方法，就是创建变量时，操作系统给我们分配的空间，而内存大致分为以下3个大部分，如图：
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   我们创建局部变量或者是创建函数的形参时，就是在栈区开辟空间，如下：

//在栈空间上开辟四个字节
int val = 20;
//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
char arr[10] = {0};

   当我们创建的是全局变量或者是static修饰的静态变量时，就是在静态区开辟了空间，如下：

//在静态区开辟一个字节的空间
char c = 'a';//全局变量
//在静态区开辟四个字节的空间
static int val = 20;

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，而动态内存开辟的空间属于堆区，本文我们就详细介绍一下动态内存管理相关的函数和知识点

二、malloc和free

   C语言的动态内存分配是通过库函数实现的，该节我们就来讲解其中的malloc函数和free函数的作用及用法，使用这两个库函数需要包含头文件<stdlib.h>

1.malloc函数的使用

   malloc函数向内存的堆区申请⼀块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针，我们来看看malloc的原型，并简单分析一下：

void* malloc (size_t size);

   它的参数是一个无符号的size，它的单位是字节，就是在堆区开辟size个字节的空间，这个点要特别注意，很容易搞混
   它的返回值是void*，返回的是开辟的空间的首地址，是一个没有类型的指针，为什么这么设计呢？因为不知道我们申请的空间到底是存放整型，还是字符型，或者说浮点型等等，所以设计成void*可以通用，在使用时我们就通过强制类型转换来对它进行改变
   当然上面说的都是开辟成功的情况，如果malloc开辟空间失败了，那么就会返回一个NULL空指针
   接下来我们来总结一下malloc的特点：

  • 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* ，因为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

   接下来我们举个例子来具体看看malloc怎么开辟空间的，就是用malloc来模拟实现数组的功能
   这个例子需要动脑袋好好思考，在数据结构的顺序表有类似用法，只不过是realloc，接下来我们先写出代码再来分析：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (arr == NULL){perror("malloc");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){arr[i] = i + 1;printf("%d ", arr[i]);}return 0;
}

   首先我们创建了一个整型指针arr，表示这个模拟的数组的首地址，由于malloc开辟的空间是连续的，所以我们申请完空间后就可以把这段空间当成数组来使用
   注意malloc的参数的单位是字节，所以不能直接写5，那是元素个数，要求到最后的字节数，需要元素个数乘以每个元素的大小，并且注意malloc的返回值是void类型的，这里我们需要int的指针就强制转换一下
   当然，我们要判断一下malloc放回的是否是空指针NULL，如果返回的是空指针，那么说明malloc开辟空间失败了，我们就需要打印一下开辟失败的原因，然后给出一个错误返回，结束程序，这是一个好习惯，我们可以在每次开辟空间时都判断一下，避免出错
   如果不会perror函数的，可以参考文章：【C语言】字符和字符串函数(2)

   随后malloc就帮我们在堆区开辟了5个连续的整型空间，就跟我们的数组一样，只是数组的空间一般在栈区开辟，接着我们就可以把arr当作5个元素的整型数组使用，其中arr是首地址，我们来看看代码运行结果：
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   可以看到代码很好地跑了起来，说明我们用指针和malloc实现了模拟数组的功能，那么是不是使用malloc函数申请完空间就不管了吗？我们接着学习下一个函数：free

2.free函数的使用

   当我们使用内存函数开辟了空间，然后进行使用，使用完后这块空间是否会自动还给操作系统呢？是不会的，如果不释放，那么我们写的程序就会一直占用这段空间，无法让其他程序利用
   所以当我们使用内存函数开辟了空间，使用完毕要手动的把这段空间释放了，否则会造成空间浪费，而free函数就是用来释放内存空间的函数，它的原型如下：

void free (void* ptr);

   它没有返回值，参数是一个未知类型的指针，free的作用就是从这个指针的地址开始从后释放我们开辟的空间
   以下是它的两个需要注意的点：

  • 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

   所以根据以上的描述，我们之前写的用指针和malloc模拟实现数组的代码还有点问题，就是我们使用malloc开辟了空间，但是没有释放掉，所以接下来我们就接着它继续写：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (arr == NULL){perror("malloc");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){arr[i] = i + 1;printf("%d ", arr[i]);}free(arr);arr = NULL;return 0;
}

   我们将arr占用的空间释放掉后，arr实际上还是有值，存放的是之前空间的地址，free是释放掉空间了，不会改变arr里面存储的地址
   所以此时arr存放的地址所指向的内容已经还给操作系统了，它指向那个位置没有作用，成了野指针，所以为了避免野指针，我们最后可以把arr置为空指针NULL，这样降低我们的代码的出错率

三、calloc和realloc

1.calloc函数的使用

   calloc函数也是用来开辟空间的，只是使用方式和malloc有一点不同，效果都是一致的，我们来看看它的原型：

void* calloc (size_t num, size_t size);

   它的返回值和malloc的含义一致，这里就不多讲了，我们主要来看看它的参数，它的参数和malloc有些不同，malloc只有一个参数，就是要开辟空间的字节数
   而calloc有两个参数，num是我们要开辟的元素的个数，size是开辟一个元素占的字节数，malloc和calloc实际上可以互相转换写
   比如我们刚刚使用malloc开辟了5个整型的空间，同样的我们可以使用calloc实现，如下：

int* arr = (int*)calloc(5, sizeof(int));
//等价于：
//int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

   但是calloc和malloc还有一个比较大的区别，就是calloc开辟后的空间会把每个字节直接初始化为0，而malloc不会，我们来测试一下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* arr = (int*)calloc(5 , sizeof(int));if (arr == NULL){perror("calloc");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", arr[i]);}free(arr);arr = NULL;return 0;
}

   我们来看看代码运行结果：
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   可以看到，我们没有对arr这段空间做修改，只是使用了calloc来开辟空间，所以我们也可以得出，是calloc在开辟空间时，自动把开辟的空间初始化为0了
   我们最后总结一下calloc的特点：

  • 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

2.realloc函数的使用

   有了前面两个函数来让程序员开辟空间确实增加了灵活性，但是一旦空间被开辟了也就被确定了，还是不能动态的根据需要申请空间，所以我们就有了另一个函数：realloc
   它可以对malloc或者是calloc开辟的空间进行增容，它的出现也让动态内存开辟更加灵活
   接下来我们来看看它的原型：

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

   我们先来看看参数，第一个参数是一个指针，它就是我们要增容的空间的地址，第二个参数就是我们要增容多少字节，这两个参数还是比较好理解，关键在于它的返回值
   它的返回值是返回我们增容后的空间的首地址，但是会有两种情况：

  1. 当我们原空间后面的空间足够增容时，那么它返回的就是原空间的地址，如图：
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       此时我们要增容的空间比未分配的空间小，那么realloc就会直接在ptr的尾巴后面继续开辟空间，保持ptr空间的内容不变然后返回的也是ptr

  2. 但是还有另一种情况，就是我们需要增容的空间比未分配的空间大，那么它就会找另一个可以把原空间和增容空间一起放下的地方，把它们放进去，如图：
    在这里插入图片描述

   此时我们开辟的空间就不再是从原来空间开始了，所以返回的就是这个新空间的首地址ptr2，也就不是原来的ptr了，然后原空间的数据会被拷贝到新空间中
   但是需要注意的一点是，如果realloc增容空间失败会返回空指针NULL，所以我们在使用realloc函数的时候就要比malloc和calloc小心一点，不能直接用ptr来接收realloc的返回值
   因为malloc和calloc都是第一次开辟空间，此时没有数据存储在空间中，就算返回NULL指针也可以，但是realloc是增容空间，原空间是有数据的，如果realloc开辟空间失败了，那么此时ptr就是空指针，不仅增容失败了，之前的数据也找不到了
   所以我们在接收realloc的返回值时，可以创建一个临时指针，然后判断它是否为空，不为空再把这个临时指针赋值给我们的ptr
   我们还是以指针模拟数组那个例子来讲，现在我们觉得5个整型空间不够了，要再增容5个整型空间的方法如下：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (arr == NULL){perror("malloc");return 1;}
//使用空间·····
//空间不够了，增容：    int* tmp = (int*)realloc(arrr, 5 * sizeof(int));if(tmp == NULL){perror("realloc");return 1;}arr = tmp;
//使用增容空间，使用完毕后释放：free(arr);arr = NULL;return 0;
}

   最后我们再总结一下realloc可能会出现的两种情况：

  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
  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

四、常见动态内存分配的错误

  1. 对NULL指针的解引⽤操作：由于开辟空间的函数malloc、calloc和realloc如果开辟失败都会返回空指针，这时对它解引用就会造成错误，所以我们在使用前一定要判断一下它们返回的地址是否是空指针
  2. 对动态开辟空间的越界访问：由于我们使用malloc或者calloc的时候开辟的空间还是固定的，比如开辟了10个整型，那么就只能使用10个整型，所以如果使用第11个整型的空间，那么程序就会报越界访问的错误
  3. 对⾮动态开辟内存使⽤free释放：这样的操作是C语言标准未定义的，不同的编译器可能有不同的处理结果，也可能报错，所以如果没有使用动态内存开辟函数开辟空间，那么就不要使用free函数
  4. 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）：由于动态开辟的内存操作系统不会主动收回，所以即使我们不使用那些空间了，也会一直占用内存空间，如果大量动态开辟的空间占据了内存，那么就会造成内存泄漏

五、动态内存经典笔试题

题1

   运行以下代码会发生什么？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>void GetMemory(char* p)
{p = (char*)malloc(100);
}int main()
{char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);return 0;
}

   我们来分析一下这个代码，它想表达的就是，创建一个指针来看作字符串首地址，然后以它为基础使用GetMemory函数开辟内存空间，然后将hello world放入这个空间中，最后打印出来
   那么这个函数真的实现了这样的效果了吗？我们来看看运行结果：
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   我们惊讶地发现程序居然什么都没有打印，这是为什么？有经验的人可能一眼就看出来了，问题就出在GetMemory函数的传参上，这里我们将str传了过去，使用p来接收，str和p都是同样的类型，通过p不能修改str，也就是说不能通过p为str开辟空间
   我们也可以从实参形参的角度理解，str是形参，p是实参，我们给p申请了空间，但是由于形参不会影响实参，所以实参str并没有开辟空间，也就没有把hello world放进空间，自然打印不出来它
   那我们要怎么做呢？要想修改str，为str开辟空间，那么我们传参时必须传高一级的参数，比如我们想要修改整型变量a，那么就要传a的地址，通过a的地址修改a
   这里也是一样，我们要修改一级指针str，就要传一级指针str的地址，也就是一个二级地址过去，通过这个二级地址解引用来修改一级指针str，为它开辟空间，如下代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>void GetMemory(char** p)
{p = (char*)malloc(100);
}int main()
{char* str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "hello world");printf(str);return 0;
}

   我们来看看运行结果：
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   可以看到，这样写才能实现我们的目的，这个题给了我们一个启发，就是遇到函数传参一定要小心，搞清楚是传值还是传地址
   最后还有两点，也是最不容易发现的，一个就是malloc的返回值需要判断是否为空指针，还有一个更严重的问题是，使用了malloc却没有free，这是我们讲过的错误之一：内存泄漏
   所以这个代码最好还要加上这两个步骤，这里我就不写了，可以自行加上

题2

   运行以下代码会发生什么？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>char* GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}int main()
{char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);return 0;
}

   做了练习1，我们看练习2就很眼熟了，可能也就猜到了是函数的问题，没错，这道题也是函数有问题，其实考点还是函数那一章，放在这里是呼应练习1
   它的考点就是函数内部的变量属于这个函数的栈帧，当函数调用结束时，会回收空间，也就是会销毁函数中的变量
   那么这里让p数组存放hello world，但是函数结束就把它释放掉了，那么最后返回的指针指向的空间就是已经被释放的空间，也就是野指针，所以最后打印的结果是未知的
   我们来看看运行结果：
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题3

   运行以下代码会发生什么？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>int main()
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}return 0;
}

   这个代码的问题很容易发现，一个是对malloc的返回值进行判断，这个就不说了，更大的问题在于free，我们走到free时，就把我们的str的空间给释放了，但是后面却没有给它置为空指针NULL
   而是给它重新拷贝值，这是我们讲过的错误之一：非法访问，在free(str)执行后，str就成了野指针，所以后面的拷贝就是非法访问

六、总结C/C++中程序内存区域划分

   在动态内存管理的最后，我们将C/C++中程序内存区域划分拿来总结一下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

分析图如下：
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   今天的分享就到此结束，在说再见之前告诉大家一件事，就是我的博客即将同步至腾讯云开发者社区，邀请大家一同入驻：https://cloud.tencent.com/developer/support-plan?invite_code=34m59s418000k
   如果有什么疑问欢迎在评论区提出，bye~

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