C语言——动态内存管理-阿里云开发者社区

1.为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

1. int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
2. 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：

1. 空间开辟大小是固定的。

2. 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。

2.动态内存函数的介绍

1.malloc

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不会初始化，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，返回申请到空间的起始地址。

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。（申请空间过大）

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。

malloc申请的内存空间，是怎么释放呢？

1.free释放—主动；

2.程序退出后，malloc申请的空间也会自动被操作系统回收—被动；

2.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。

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。

举个例子：

#include <stdio.h>
int main()
{
//代码1
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};
//代码2
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
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;//是否有必要？
return 0;
}

ptr = NULL 避免ptr变为野指针

3.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而malloc不会初始化。

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *p = calloc(10, sizeof(int));
if(NULL != p)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}

所以如何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。

4.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>
int main()
{
int *ptr = malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
  //业务处理
}
else
{
  exit(EXIT_FAILURE);  
}
//扩展容量
//代码1
ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}

reallc的另外一个功能

int*p = (int*)realloc(NULL, 40);//== malloc(40);

3.常见的动态内存错误

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);
}

正确方式

void test()
{
int *p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
 
  }
*p = 20;
free(p);
}

2.对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
  int* p = calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
 
  int i = 0;
  //越界了
  for (i = 0; i <= 10; i++)
  {
    p[i] = i;
  }
  //打印
  for (i = 0; i <= 10; i++)
  {
    printf("%d\n", *(p + i));
  }
  
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
 
  return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//对非动态内存释放
}

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
}

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
}

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  //...
  if (3)
    return;
 
  free(p);
  p = NULL;
}
 
int main()
{
  test();
  //...
  while (1)
  {
    ;
  }
 
  return 0;
}

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。

int* test()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  //...
  if (3)
    return p;
 
  free(p);
  p = NULL;
}
 
int main()
{
  int* ret = test();
  free(ret);
  ret = NULL;
  //...
  while (1)
  {
    ;
  }
 
  return 0;
}

4.几个经典的笔试题

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(str);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

strcpy(str, "hello world");程序对NULL指针的解引用操作，程序崩溃

printf(str);内存泄漏；malloc开辟的空间还没有来得及释放；

正确形式：

void GetMemory(char** p)
{
  *p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(&str);//malloc开辟的100字节空间存放在str中
  strcpy(str, "hello world");//hello world拷贝在str中
  printf(str);//ok
 
  free(str);
  str = NULL;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

strcpy(str, "hello world");程序对NULL指针的解引用操作，程序崩溃

printf(str);内存泄漏；malloc开辟的空间还没有来得及释放；

正确形式：

void GetMemory(char** p)
{
  *p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(&str);//malloc开辟的100字节空间存放在str中
  strcpy(str, "hello world");//hello world拷贝在str中
  printf(str);//ok
 
  free(str);
  str = NULL;
}

char* GetMemory()
{
  char* p = (char*)malloc(100);
  return p;
}
 
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  str = GetMemory();
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);//ok
 
  free(str);
  str = NULL;
}

2.题目二

str = GetMemory(); str 变为野指针；属于返回栈空间地址的问题

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

同样的，例如仍然是属于返回栈空间地址的问题。

int* test()
{
  int a = 10;
  return &a;
}
 
int main()
{
  int* p = test();
  printf("haha\n");
  printf("%d\n", *p);
 
  return 0;
}

但是返回栈空间的值是没有问题的

int test()
{
  int a = 10;
  int b = 20;
  int c = a + b;
  return c;
}
int main()
{
  int d = test();
 
  return 0;
}

3.题目三

缺少free函数，存在内存泄漏问题；后面加上即可解决

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

4.题目四

strcpy(str, "world"); str是野指针，对野指针进行操作是非法访问；

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

正确形式

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

5.C/C++程序的内存开辟

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。函数栈帧的创建都是在栈区。

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。

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。

6.柔性数组

1.定义

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];//未知大小的数组 - 柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

1. typedef struct st_type
2. {
3. int i;
4. int a[];//未知大小的数组 - 柔性数组成员
5. }type_a;

2.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：

1. typedef struct st_type
2. {
3. int i;
4. int a[0];//柔性数组成员
5. }type_a;
6. printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

3.柔性数组的使用

柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

//代码1
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);

4.柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为：

//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
type_a *p = 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：

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）；

C语言——动态内存管理