【C】一篇文章搞定C语言动态内存管理的入门到入坟

短命女 2023-02-21 06:38 6阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  动态内存管理
 *   *  一、为什么要有动态内存分配
     *  二、动态分配内存分配在内存的哪一块？
     *  三、什么是动态内存函数
     *   *  1.malloc和free
         *   *  malloc
             *  free
         *  2.calloc
         *  3.realloc
     *  四、常见的动态内存错误
     *   *  1.内存泄漏
         *  2.同块内存多次释放
         *  3.内存未全部释放
         *  4.释放非动态内存
         *  5.越界访问动态内存
         *  6.解引用NULL指针
     *  五、给结构体动态分配空间
     *  六、柔性数组
     *  七、经典面试题

# 动态内存管理 #

## 一、为什么要有动态内存分配 ##

> 我们已经掌握的开辟内存方式：  
> int a = 20;  
> char c = ‘c’;  
> int a\[20\] ;等等等…  
> 以上的这些开辟的内存都是已经固定好了的，数组在声明时，必须指定数组长度，编译之后便不能增减了，那么当我们遇到像只有**在运行时才能知道我们需要多大的内存空间**时的需求该怎么办呢？  
> 答：使用**动态内存函数**，运行时动态申请空间，需要多少申请多少。

## 二、动态分配内存分配在内存的哪一块？ ##

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## 三、什么是动态内存函数 ##

### 1.malloc和free ###

#### malloc ####

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

> void\* malloc (size\_t size);  
> 官方说明：分配大小为字节的**内存块**，返回**指向块开头的指针**。  
> 新分配的内存块的**内容未初始化**，仍保留不确定的值。  
> 如果**size为零**，则返回值取决于特定的库实现（它可能是也可能不是**空指针**），但返回的指针不应被取消引用。

*  这个函数向内存中堆空间申请一块**连续可用**的空间，并返回指向这块内存空间的**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**，因此要对malloc 的返回值做**检查**
 *  3.返回值为void\*类型，所以需要写代码的人自己对该指针进行**强制转换**成需要的指针类型
 *  4.如果参数size为0，malloc会做什么是未知的，取决于编译器

> 例如：动态申请一块2个int型的堆内存空间

int *ptr = NULL;
    int num = 2;
    ptr = (int*)malloc( num * sizeof(int) );
    if( NULL == ptr){ 
    	printf("申请失败！\n");
    }

> 变量说明：  
> 由于需要的是int型空间，所以指针必须是int*类型，故ptr是int*型并且malloc返回值必须强转为int\*型  
> 由于需要一块2个int型大小的空间，所以malloc需要申请空间大小为2 \* sizeof(int)字节，即8字节

由以上代码便动态申请了一块2个int型大小的空间

#### free ####

C语言提供了一个函数free,用来对动态开辟的内存进行释放回收

> void free (void\* ptr);  
> 官方说明：  
> 作用：释放内存块  
> 如果ptr**没有指向**分配给上述函数的内存块，则会导致未定义的行为。  
> 如果ptr是**空指针**，则函数不执行任何操作。  
> 请注意，此函数不会更改ptr本身的值，因此它仍然**指向相同**（现在无效）的位置。

free(ptr);

> 使用free()函数便将之前申请的动态内存释放了

注意：  
在如下代码中，ptr存储的地址为0X00B59B98，该片地址中存储的是1111111十进制数字，在free之后，ptr存储的地址仍然是为0X00B59B98，但是该片地址中存储的是随机数字  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

### 2.calloc ###

> void\* calloc (size\_t num, size\_t size);  
> 官方说明：分配一块num个大小为size字节的内存块，并将每一**位**初始化为0  
> size为个数  
> num为每个的字节数  
> 总大小 = num \* size

*  calloc函数与malloc函数的区别在于：calloc会将动态分配的内存中的数据初始化为0，而malloc动态申请的内存中的数据是随机值

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]

### 3.realloc ###

> 想一想：有时我们动态分配的内存大小，万一出现了偏大或偏小了，为了最大限度的利用内存，我们应该怎么办呢？  
> 答案：C语言提供了一个函数，可以**修改**已经动态分配的内存大小

> void\* realloc (void\* ptr, size\_t size);  
> 官方说明  
> 作用：重新分配内存块，更改ptr指向的内存块的大小。  
> size变量说明：内存块的新大小，以字节为单位；size\_t是无符号整数类型。  
> 函数可以将内存块移动到新的位置（其地址由函数返回）。  
> 内存块的内容将保留到新大小和旧大小中的较小值，即使块被移动到新位置。如果新大小更大，则新分配部分的值不确定。  
> 如果ptr是空指针，那么函数的行为类似malloc，分配一个新的大小字节块，并返回一个指向其开头的指针。

*  realloc函数让动态内存管理更加灵活
 *  ptr是要调整的内存地址
 *  size是调整之后的新大小
 *  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，同时可能会将这片内存中的**数据移动**到新的地方。（原因是对原内存空间增大之后，增加的连续内存是被别的程序使用的内存，这样就无法增加，所以需要重新找到一块连续的且足够的内存空间）

**realloc一般在内存中有两种情况：**  
**情况一**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 3]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

**情况二：**  
![在这里插入图片描述][20200630114547753.png]![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]

## 四、常见的动态内存错误 ##

### 1.内存泄漏 ###

void test()
    { 
    	int *p = (int *)malloc(100);	//动态分配内存
    	if(NULL != p)
    	{ 
    		*p = 20;
    	}
    	//未释放内存，导致内存泄漏
    }
    int main()
    { 
    	test();
    	while(1);
    }

### 2.同块内存多次释放 ###

void test()
    { 
    	int *p = (int *)malloc(100);
    	free(p);
    	free(p);	//重复释放
    }

### 3.内存未全部释放 ###

void test(){ 
    	int *p = (int *)malloc(100);
    	p++;	//p指针已经不是指向动态开辟的内存的起始位置了
    	free(p);	//p指向空间内存只释放了一部分
    }

### 4.释放非动态内存 ###

int a = 10;
    int *p = &a;
    free(p);	//由于p指向的空间并不是动态申请的，所以无需释放

### 5.越界访问动态内存 ###

void test()
    { 
    	int i = 0;
    	int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
    	if(NULL == p)
    		exit(EXIT_FAILURE);
    	for(i=0; i<=10; i++)	
    	//一共访问了11次，动态申请的内存只可以访问10从
    		*(p+i) = i;	//当i是10的时候越界访问
    	free(p);
    }

### 6.解引用NULL指针 ###

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);
    }

## 五、给结构体动态分配空间 ##

> 由于结构体是一种自定义类型，它和int、char、double、float等C语言自带的类型是没区别的，我们来看一看结构体如何分配内存空间:

struct Array{ 
    	int num;
    	int* mem;	//指向一个边长空间
    };
    int main(){ 
    	//由外而内申请内存
    	struct Array* pArray = (struct Array*)malloc(sizeof(struct Array));
    	if(pArray == NULL){ 	//检查结构体申请空间是否成功
    		return 1;
    	}
    	
    	pArray->num = 10;
    	
    	pArray->mem = (int*)malloc(pArray->num * sizeof(int));
    	if(pArray->mem == NULL){   //检查结构体成员空间是否申请成功
    		free(pArray);	//失败返回前不要忘记释放结构体的空间
    		return 2;
    	}
    
    	//由内而外释放内存
    	free(pArray->mem);
    	free(pArray);
    	return 0;
    }

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 6]

## 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。  
> 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。

写法1：
    typedef struct A
    { 
    	int i;
    	int a[0];//柔性数组成员
    };
    写法2：
    typedef struct B
    { 
    	int i;
    	int a[];//柔性数组成员
    };

柔性数组的特点：

*  结构中的**柔性数组成员前面至少一个其他成员**。
 *  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：  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 7]

> 上述代码实现了一个变长数组，存放了0-9这10个数字，每一个数字存放在一个int型大小的内存中。  
> sizeof(struct A) + 10 \* sizeof(int)中申请了一个结构体大小的内存空间外加10个int类型的内存空间，这10个int类型的内存空间就被保存在柔性数组中。  
> a\[0\]是结构体的终止地址，同时又是后面内存的起始地址。

struct A* pA = (struct A*)malloc(sizeof(struct A) + 10 * sizeof(int));

## 七、经典面试题 ##

面试题一

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

> 上述代码有哪些错误？  
> 1.p指向的动态内存未被释放  
> 2.试图向空指针str中写入数据  
> 3.试图输出空指针中的内容

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3dlaXhpbl80NTQzNzAyMg_size_16_color_FFFFFF_t_70 8]

> 如何修改代码能完美解决上述错误呢？  
> 提示：使用二级指针，将str的地址传入！

修改后代码：

void GetMemory(char **p){ 
    	*p = (char**)malloc(100);
    }
    
    int main(){ 
    	char* str = NULL;
    	GetMemory(&str);
    	strcpy(str, "hello world!\n");
    	printf(str);
    
    	return 0;
    }

输出：  
![在这里插入图片描述][20200630164624112.png]

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