【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)-2

简介: 【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)

【C语言基础】:动态内存管理(含经典笔试题分析)-1

https://developer.aliyun.com/article/1538335


4. 常见的动态内存错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
  int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
  *p = 20;  //如果p的值是NULL,就会有问题
  free(p);
}

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这里一定要对p进行判断,避免p是一个空指针。


4.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
  int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  if (p != NULL)
  {
    for (int i = 0; i <= 10; i++)
    {
      *(p + i) = i + 1;  //当i是10的时候越界访问
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
}

malloc申请的空间和数组非常相似,都是一个连续的空间,所以要对边界进行把控,避免越界访问。


4.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
  int a = 10;
  int* p = &a;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意:free只能释放动态申请的空间,而局部变量是在栈区的,无法用free释放。


4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(100);  // 申请100个字节大小的空间
  if (p == NULL)
  {
    return 1;
  }
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    *p = i + 1;
    p++;  // 这里的p不再是动态申请的内存的起始位置
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

这里的p已经不再指向起始位置,不能对其使用free进行释放。


4.5 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
}

这种对动态内存重复释放也是错误的,但可以避免,就是在第一次释放后及时将p置为空指针。


4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(100);
  if (p != NULL)
  {
    *p = 20;
  }
  while (1);
  return 0;
}

动态申请空间未释放会导致这一部分内存无法再次被申请,会一直占用,导致内存泄漏。

切记:动态开辟的空间⼀定要释放,并且正确释放。


5. 动态内存经典笔试题分析

【题目1】:


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?


分析:Test函数里面调用GetMemory函数,而GetMemory函数里面开辟了一个100个字节大小的空间,但由于是传值调用,出GetMemory函数时这个申请的空间就被销毁了,所以Test函数里的str还是一个空指针,将字符串拷贝到空指针中必定会对空指针进行解引用操作,导致程序崩溃。

解决:GetMemory使用传址调用,直接对str进行开辟空间,使用完之后及时对开辟空间进行释放,str置为空指针。


【题目2】:


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

请问运行Test 函数会有什么样的结果?


分析:Test函数里面将GetMemory的返回值返回给str,但由于GetMemory函数调用后p就被销毁了,导致str成为了一个野指针,无法打印hello world,这就是返回栈空间地址的问题。


【题目3】:


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

请问运行Test 函数会有什么样的结果?


分析:Test函数里面将str进行传址调用,在GetMemory函数里面申请100个字节大小的空间,将hello拷贝到str所指向的空间中,但是使用之后并没有使用free函数进行释放,导致内存泄漏。

解决:申请的空间使用完之后要使用free函数进行释放,并将str置为空指针。


【题目4】:


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

请问运行Test 函数会有什么样的结果?


分析:Test函数里面str申请了100个字节的空间,将hello拷贝到str所指向的空间中,就直接用free释放掉了,导致str成了野指针,之前将hello拷贝到str中,所以str一定不是空指针,所以下面的if语句一定会执行,打印str空间里的内容会对野指针进行操作导致程序崩溃。


二、柔性数组

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。

【示例】:


struct S
{
  int i;
  int arr[0];  // 柔性数组成员
  //有些编译器会报错⽆法编译可以改成:int arr[];
};

1. 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于。

【示例】:


struct S
{
  int n;//4个字节
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  printf("%zd\n", sizeof(struct S));
  return 0;
}

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sizeof只计算不包括柔性数组的内存,所以柔性数组成员前面必须至少一个其他成员,不然结构体的大小将为0。


2. 柔性数组的使用

【示例】:

代码1


#include<stdlib.h>
struct S
{
  int n;//4个字节
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 5 * sizeof(int));
  if (ps == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  ps->n = 100;
  for (int i = 0; i < 5; i++)
  {
    ps->arr[i] = i;
  }
  // 释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

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malloc函数中sizeof(struct S)计算的是除了柔性数组的空间,后面的才是给柔性数组申请的空间。当然


代码2


struct S
{
  int n;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (ps == NULL)
    return 1;
  ps->arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
  if (ps->arr == NULL)
    return 1;
  ps->n = 100;
  for (int i = 0; i < 5; i++)
  {
    ps->arr[i] = i;
  }
  // 调整空间大小
  int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));
  if (ptr == NULL)
    return 1;
  ps->arr = ptr;
  // 使用
  //...

  // 释放
  free(ps->arr);
  free(ps);
  return 0;
}

3. 柔性数组的优点

上述代码1和代码2可以完成同样的功能,但是代码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。


三、C/C++中程序内存区域划分

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  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。


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