『C语言进阶』动态内存管理-阿里云开发者社区

前言

看到今天的主题动态内存管理，相信很多小伙伴心中有这样一个疑惑：为什么存在动态内存分配？那是因为现在我们掌握的内存开辟方式开辟的空间都是固定的，但是对于空间的需求，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。这时候就要使用动态内存开辟了。

一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free函数

函数功能：

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。

头文件：

#include<stdlib.h>
• 1

malloc函数的应用：

//开辟一个有10个元素的数组
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
  perror("malloc");
  return 1;
}

注意：

如果开辟成功，则返回一个指向这块空间的指针（起始地址），不会初始化空间的内容
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 * ，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的行为是标准未定义的，取决于编译器

函数功能：

专门用来做动态内存的释放和回收

头文件：

#include<stdlib.h>

free函数的应用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  //开辟一个有10个元素的数组
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意：

free只能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
使用free函数释放空间后，p指向这块空间没用了，就变成野指针，所以我们要在释放空间后，将p置为空指针

int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error
p = NULL;

1.2 calloc函数

函数功能：

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

头文件：

#include<stdlib.h>

calloc函数的应用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

运行结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

注意：

calloc函数与malloc函数的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节都初始化为0

1.3 realloc函数

函数功能：

realloc函数让动态内存管理更加灵活

有时我们发现过去申请的空间太小了，有时我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的内存，我们会对内存大小做灵活的调整，那realloc就可以做到对动态内存大小的调整

头文件：

#include<stdlib.h>
• 1

ptr是要调整的内存地址

size调整之后新的大小

返回值为调整之后的内存起始地址

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函数的应用：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p[i] = i + 1;
  }
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
  }
  //打印数据
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

运行结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451

这个函数也会出现增容失败的时候（返回空指针，意思空间被释放，会导致原来的空间也被释放）所以不能把返回的指针直接放在原来的指针变量里，应该再定义一个指针变量存放返回地址，先判断是否空指针（增容失败），不是空指针再赋值给p

realloc在调整内存空间的两种情况：

原有的空间后面的空间足够，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
原有的空间后面的空间不够，在堆空间另找一个合适大小的连续空间来使用，把旧的数据拷贝到新的空间中，会将旧空间释放掉，返回新的地址

二、常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用

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);
}

如果空间开辟失败返回空指针，我们对空指针解引用，程序就会出现错误，所以我们要判断返回的是否为空指针

代码修改：

int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
    *p=20;
    free(p);

2.2 对动态开辟空间的越界访问

#include<stdio.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i <= 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

只有10个整型的空间，却访问了11个整型的空间，越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error:非动态开辟，不可以释放
p = NULL;

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p++;
  free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，不可以释放，必须从起始位置释放
  p = NULL;
  return 0;
}

2.5 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
}

不可以重复释放（当把p赋值为空指针后再释放是可以的）

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
    //记得要释放
}
int main()
{
    test();
    //在这里释放不可以
    return 0;
    //或者把函数test的返回值改为int* ，在主函数接受一下，这样就可以在主函数释放
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁

两种销毁方式：

free

程序结束

三、经典例题分析

3.1 题目1

void GetMemory(char* p)
{
  p = (char*)malloc(100);
  //没有释放
  //并没有返回任何值，也没有改变str的值
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  //常量字符串传递的是h的地址，所以是正确的
  //str是空指针，在这里是非法访问，程序会崩溃
  printf(str);//写法正确，但这一步之前程序已经崩溃
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

运行结果：程序崩溃

1.对NULL指针进行解引用操作，程序会崩溃

2.没有释放空间，存在内存泄漏问题

3.2 题目2

char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;
}
//出作用域后p销毁，开辟的空间还给操作系统
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();//str变成野指针，再去访问这块空间就是非法访问，结果是随机值
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

可以用static修饰变量p，使p的声明周期变长

3.3 题目3

void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
    //没有释放
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

3.4 题目4

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//空间释放后，要赋值为空指针
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");//非法访问（空间被释放，还给操作系统，没有使用的权利，如果使用，就是野指针越界访问
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

四、C/C++程序的内存开辟

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。

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。

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。

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实在栈区分配空间的，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修饰的变量存在数据段（静态区），数据段的特点使在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期长

五、柔性数组

5.1 什么是柔性数组

C99中，结构体中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就加柔性数组成员

写法一：

struct s1
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未指定的，并不是0
};

写法二：

struct s1
{
    int n;
    int arr[];
};

5.2 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。

struct S
{
    int i;
    int a[0];
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(S));
    return 0;
}

运行结果：

柔性数组大小未知，无法计算大小

5.3 柔性数组的使用

我们开辟好空间后，发现空间不够用，可以使用realloc增容

写法一：

struct S
{
  int n;
  int arr[];
};
int main()
{
  struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p->n = 100;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p->arr[i] = i + 1;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
}

写法二：

struct S
{
  int n;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p->n = 100;
  p->arr = (int*)malloc(40);
  if (p->arr == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p->arr[i] = i + 1;
  }
  //增容
  int* ptr = (int*)realloc(p->arr,   60);
  if (ptr == NULL)
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  p->arr = ptr;
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d ", p->arr[i]);
  }
  //释放
  free(p->arr);
  p->arr = NULL;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

要先释放里面的，再释放外面的。如果先把p释放了，就找不到arr的地址了。

总结：

代码一相对于来说比较好：（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）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。

（代码二：开辟和释放的次数多，容易出错；容易形成内存碎片）

5.4 柔性数组的优点

我们上面的代码二，可以完美的替代柔性数组的功能，却为什么还是创造除了柔性数组呢。在这就要说到柔性数组的优点：

1.内存方便释放

在柔性数组中，我们只使用了一次malloc，方法二中使用了两次malloc，容易造成忘记释放，没有都释放或释放顺序错误的问题。

2.访问速度快，节省空间

多次开辟空间，内存与内存之间的内存碎片会很多，不内存的利用率就会变低。同时，连续的内存有益于提高访问速度。

本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获，同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言，小羊一定认真修改，写出更好的文章~~

『C语言进阶』动态内存管理

前言

一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free函数

1.2 calloc函数

1.3 realloc函数

二、常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用

2.2 对动态开辟空间的越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

2.5 对同一块动态内存多次释放

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

三、经典例题分析

3.1 题目1

3.2 题目2

3.3 题目3

3.4 题目4

四、C/C++程序的内存开辟

五、柔性数组

5.1 什么是柔性数组

5.2 柔性数组的特点

5.3 柔性数组的使用

5.4 柔性数组的优点

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