【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)-1

简介: 【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)

一、动态内存管理

1. 为什么要有动态内存分配

常见的两种内存开辟方式有:

int var = 20;  // 在栈空间上开辟4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。


2. malloc函数和free函数

2.1 malloc函数

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,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。
  • 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的行为是标准是未定义的,取决于编译器。

【示例】:内存的申请

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2.2 free函数

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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。


【示例】:空间的申请及释放


#include<stdlib.h>
int main()
{
  // 申请20个字节的空间
  int* p = (int*)malloc(20);
  if (p == NULL)  // 判断是否为空指针
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  // 不为空指针就可以使用
  for (int i = 0; i < 5; i++)
  {
    *(p + i) = i + 1;
  }
  // 内存的释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

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注意:


  1. 传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址。所以for循环中赋值时不要去改变p指针的指向。
  2. 空间释放之后p的指针还是指向这里的,但由于已经没有使用权限了,p就成了一个野指针,所以要及时将p置为空指针。
  3. malloc和free函数都是对堆区的空间进行操作的,不能对其他区域的空间进行操作。

3. calloc函数和realloc函数

3.1 calloc函数

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。

【示例】:空间申请

使用malloc函数


#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

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malloc函数申请的空间是随机值。


使用calloc函数

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));  // 申请5个整形大小的空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      printf("%d ", *p);
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

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使用calloc函数申请空间会直接把每个字节初始化为0,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。


3.2 realloc函数

  • 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

【示例】:调整空间大小


#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));  // 申请空间
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i < 5; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
  }
  // 调整空间大小, 调整为40个字节空间大小
  int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
    for (int i = 5; i < 10; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;
    }
    // 打印
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
      printf("%d ", *(p + i));
    }
    free(p);
    p = NULL;
  }
  else  // 调整失败
  {
    perror("realloc");
  }
  return 0;
}

realloc函数调整空间大小有两种情况:

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情况一: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。

情况二: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。


还有一种情况就是空间调整失败了,调整失败会返回一个空指针(NULL)。


【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)-2

https://developer.aliyun.com/article/1538336

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