动态内存管理（2）-阿里云开发者社区

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char* p)
{
  p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

在调用GetMemory函数时，传的是str的值，p是str的一份临时拷贝，p里面放的也是NULL，接着，把malloc开辟空间的地址给了p，但是str还是NULL，那么strcpy中的str就是NULL，就会对空指针进行解引用操作；同时，动态申请的内存空间没有释放，存在内存泄漏的问题（而且出了GetMemory函数之后想释放也释放不了，因为p所在的那块内存空间已经被销毁了，已经还给操作系统了）。

注：

传变量本身就是传值，传变量的地址才叫传址
printf(“hello world”)并不是把"hello world"这个字符串传给了printf这个函数，而是传的’h’的地址，所以printf(str)这个写法没有问题

可以这样修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char** p)
{
  *p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(&str);
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);
  //释放
  free(str);
  str = NULL;
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

4.2 题目2

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
  char p[] = "hello world";
  return p;
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  str = GetMemory();
  printf(str);
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

这里的str确实存了数组首元素的地址，但是p这个数组出了GetMemory这个函数就被销毁了，str变成了野指针，它指向的空间里的内容变成了随机值，所以打印出来就是随机值（这里也相当于是非法访问了）

可以这样修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
  static char p[] = "hello world";
  //char* p = "hello world";//"hello world"是常量字符串，放在代码段，程序结束才会销毁；p接收的是'h'的地址，所以str里放的是'h'的地址，出了作用域p被销毁了并不影响str找到"hello world"
  //以上两种写法都可以
  return p;
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  str = GetMemory();
  printf(str);
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

总结： 这属于返回栈空间地址的问题

我们可以简化一下这个问题：

#include <stdio.h>
int* test()
{
  int a = 10;
  return &a;
}
int main()
{
  int* p = test();
  printf("%d\n", *p);
  return 0;
}

这里的p就变成了野指针，但是有可能还能打印出10，这是因为可能这块空间还没有被用掉

如果改成这样：

#include <stdio.h>
int* test()
{
  int a = 10;
  return &a;
}
int main()
{
  int* p = test();
  printf("*p=");
  printf("%d\n", *p);
  return 0;
}

这样就打印不出来10了，这里涉及到函数栈帧：

当只有第二个printf语句时，我在test函数返回后迅速先通过*p来找到10，然后开辟了printf的函数栈帧来打印它，所以还有可能打印出10；但是我再前面再加了一个printf后，第一个printf函数开辟的空间覆盖了原来test函数开辟的空间，所以第二个printf就打印不出10了

4.3 题目3

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
  *p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(&str, 100);
  strcpy(str, "hello");
  printf(str);
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

问题在于忘记释放

应该这样修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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;
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

4.4 题目4

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void Test(void)
{
  char* str = (char*)malloc(100);
  strcpy(str, "hello");
  free(str);
 
  if (str != NULL)
  {
    strcpy(str, "world");
    printf(str);
  }
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

问题在于free完后没有把str置为空指针，导致str变为野指针，非法访问内存了

应该这样修改：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void Test(void)
{
  char* str = (char*)malloc(100);
  strcpy(str, "hello");
  free(str);
  str = NULL;
  if (str != NULL)
  {
    strcpy(str, "world");
    printf(str);
  }
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

5. C/C++程序的内存开辟

注：数据段也就是静态区

从图中我们也可以得知，一个全局变量和一个局部变量的地址其实离得是比较远的：

#include <stdio.h>
int d = 200;
int main()
{
  int a = 10;
  int b = 20;
  static int c = 100;
  printf("&a = %p\n", &a);//&a = 00CFFB6C
  printf("&b = %p\n", &b);//&b = 00CFFB60
  printf("&c = %p\n", &c);//&c = 0076A038
  printf("&d = %p\n", &d);//&d = 0076A034
  return 0;
}

C/C++程序内存分配的几个区域：

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(operate system)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。

代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在初识C语言中讲的static关键字修饰局部变量的例子了：

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. 动态通讯录

我们对之前写的通讯里进行一个改造：

通讯录的空间不是固定的，大小是可以调整的

默认能放3个人的信息，如果不够，就每次增加2个人的信息

首先，我们要改变一下通讯录这个结构体：

//contact.h
typedef struct Contact
{
  PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
  int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
  int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;

接着是初始化通讯录：

//contact.c
void InitContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));//DEFAULT_SZ是我定义的默认大小：3
  if (NULL == pc->data)
  {
    perror("InitContact");
    return;
  }
  pc->sz = 0;
  pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}

然后是增加联系人：

//contact.c
int CheckCapacity(Contact* pc)
{
  if (pc->sz == pc->capacity)
  {
    PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
    
    if (NULL == ptr)
    {
      perror("CheckCapacity");
      return 0;
    }
    else
    {
      pc->data = ptr;
      pc->capacity += INC_SZ;
      printf("增容成功\n");
      return 1;
    }
  }
  return 1;
}
void AddContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  if (0 == CheckCapacity(pc))
  {
    return;
  }
  printf("请输入名字:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
  printf("请输入年龄:>");
  scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
  printf("请输入性别:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
  printf("请输入电话:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
  printf("请输入地址:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);
  pc->sz++;
  printf("成功增加联系人\n");
}

最后用完通讯录要对它进行释放：

//contact.c
void DestroyContact(Contact* pc)
{
  free(pc->data);
  pc->data = NULL;
  pc->capacity = 0;
  pc->sz = 0;
}

其他通讯录的功能不需要改动，完整代码如下：

//contact.h
#include <string.h>
#include <assert.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MAX 100
#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX 5
#define MAX_TELE 12
#define MAX_ADDR 30
#define DEFAULT_SZ 3
#define INC_SZ 2
enum OPTION
{
  EXIT,//0
  ADD,
  DEL,
  SEARCH,
  MODIFY,
  SHOW,
  SORT
};
enum SELECT
{
  NAME = 1,
  AGE
};
//类型的声明
typedef struct PeoInfo
{
  char name[MAX_NAME];
  int age;
  char sex[MAX_SEX];
  char tele[MAX_TELE];
  char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;
//通讯录
//动态版本
typedef struct Contact
{
  PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
  int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
  int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;
//函数声明
//初始化通讯录
void InitContact(Contact* pc);
//增加联系人
void AddContact(Contact* pc);
//显示所有联系人的信息
void ShowContact(const Contact* pc);
//删除指定联系人
void DelContact(Contact* pc);
//查找指定联系人
void SearchContact(const Contact* pc);
//修改指定联系人
void ModifyContact(Contact* pc);
//排序功能
void SortContact(Contact* pc);
void DestroyContact(Contact* pc);

//contact.c
#include "contact.h"
//动态版本
void InitContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));
  if (NULL == pc->data)
  {
    perror("InitContact");
    return;
  }
  pc->sz = 0;
  pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}
//动态版本
int CheckCapacity(Contact* pc)
{
  if (pc->sz == pc->capacity)
  {
    PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
    
    if (NULL == ptr)
    {
      perror("CheckCapacity");
      return 0;
    }
    else
    {
      pc->data = ptr;
      pc->capacity += INC_SZ;
      printf("增容成功\n");
      return 1;
    }
  }
  return 1;
}
void AddContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  if (0 == CheckCapacity(pc))
  {
    return;
  }
  printf("请输入名字:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
  printf("请输入年龄:>");
  scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
  printf("请输入性别:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
  printf("请输入电话:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
  printf("请输入地址:>");
  scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);
  pc->sz++;
  printf("成功增加联系人\n");
}
void ShowContact(const Contact* pc)
{
  assert(pc);
  
  int i = 0;
  //打印列标题
  printf("%-20s\t%-4s\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
  //打印数据
  for (i = 0; i < pc->sz; i++)
  {
    printf("%-20s\t%-4d\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n",
      pc->data[i].name,
      pc->data[i].age,
      pc->data[i].sex,
      pc->data[i].tele,
      pc->data[i].addr);
  }
}
static int FindByName(const Contact* pc, char name[])
{
  int i = 0;
  for (i = 0; i < pc->sz; i++)
  {
    if (0 == strcmp(pc->data[i].name, name))
    {
      return i;//找到了
    }
  }
  return -1;//找不到
}
void DelContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  if (0 == pc->sz)
  {
    printf("通讯录为空，无法删除\n");
    return;
  }
  char name[MAX_NAME] = { 0 };
  //删除
  printf("请输入要删除的人的名字:>");
  scanf("%s", name);
  //找到要删除的人
  int del = FindByName(pc, name);
  if (-1 == del)
  {
    printf("要删除的人不存在\n");
    return;
  }
  int i = 0;
  //删除坐标为del的联系人
  for (i = del; i < pc->sz - 1; i++)
  {
    pc->data[i] = pc->data[i + 1];
  }
  pc->sz--;
  printf("成功删除联系人\n");
}
void SearchContact(const Contact* pc)
{
  assert(pc);
  char name[MAX_NAME] = { 0 };
  printf("请输入要查找人的名字:>");
  scanf("%s", name);
  int pos = FindByName(pc, name);
  if (-1 == pos)
  {
    printf("要查找的人不存在\n");
  }
  else
  {
    //打印列标题
    printf("%-20s\t%-4s\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
    //打印数据
    printf("%-20s\t%-4d\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n",
        pc->data[pos].name,
        pc->data[pos].age,
        pc->data[pos].sex,
        pc->data[pos].tele,
        pc->data[pos].addr);
  }
}
void ModifyContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  char name[MAX_NAME] = { 0 };
  printf("请输入要修改人的名字:>");
  scanf("%s", name);
  int pos = FindByName(pc, name);
  if (-1 == pos)
  {
    printf("要修改的人不存在\n");
  }
  else
  {
    printf("请输入名字:>");
    scanf("%s", pc->data[pos].name);
    printf("请输入年龄:>");
    scanf("%d", &(pc->data[pos].age));
    printf("请输入性别:>");
    scanf("%s", pc->data[pos].sex);
    printf("请输入电话:>");
    scanf("%s", pc->data[pos].tele);
    printf("请输入地址:>");
    scanf("%s", pc->data[pos].addr);
    printf("修改成功\n");
  }
}
void select()
{
  printf("********************************\n");
  printf("***** 1. name    2. age    *****\n");
  printf("********************************\n");
}
int cmp_by_name(const void* p1, const void* p2)
{
  return strcmp(((PeoInfo*)p1)->name, ((PeoInfo*)p2)->name);
}
int cmp_by_age(const void* p1, const void* p2)
{
  return ((PeoInfo*)p1)->age - ((PeoInfo*)p2)->age;
}
void SortContact(Contact* pc)
{
  assert(pc);
  if (0 == pc->sz)
  {
    printf("通讯录为空，无法排序\n");
    return;
  }
  int input = 0;
  do
  {
    select();
    printf("请选择按何种方式进行排序:>");
    scanf("%d", &input);
    switch (input)
    {
    case NAME:
      qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_name);
      printf("排序成功\n");
      break;
    case AGE:
      qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_age);
      printf("排序成功\n");
      break;
    default:
      printf("选择错误，重新选择\n");
      break;
    }
  } while (input != NAME && input != AGE);
}
void DestroyContact(Contact* pc)
{
  free(pc->data);
  pc->data = NULL;
  pc->capacity = 0;
  pc->sz = 0;
}

//test.c
#include "contact.h"
void menu()
{
  printf("********************************\n");
  printf("***** 1. add     2. del    *****\n");
  printf("***** 3. search  4. modify *****\n");
  printf("***** 5. show    6. sort   *****\n");
  printf("***** 0. exit              *****\n");
  printf("********************************\n");
}
void test()
{
  int input = 0;
  //首先得有通讯录
  Contact con;
  InitContact(&con);
  do
  {
    menu();
    printf("请选择:>");
    scanf("%d", &input);
    switch (input)
    {
    case ADD:
      AddContact(&con);
      break;
    case DEL:
      DelContact(&con);
      break;
    case SEARCH:
      SearchContact(&con);
      break;
    case MODIFY:
      ModifyContact(&con);
      break;
    case SHOW:
      ShowContact(&con);
      break;
    case SORT:
      //排序
      //按照名字排序？
      //按照年龄排序？
      SortContact(&con);
      break;
    case EXIT:
      DestroyContact(&con);
      printf("退出通讯录\n");
      break;
    default:
      printf("选择错误，重新选择\n");
      break;
    }
  } while (input);
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

7. 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。

7.1 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小。

7.2 柔性数组的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{
  int n;
  //int arr[0];//这两种写法都可以
  int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
  //printf("%d\n", sizeof(struct S));//4
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
  if (NULL == ps)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  ps->n = 100;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    ps->arr[i] = i + 1;
  }
  //空间不够，需要增容
  struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 60);
  if (NULL == ptr)
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  ps->n = 15;
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d\n", ps->arr[i]);
  }
  //释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

7.3 柔性数组的优势

我们不使用柔性数组也可以实现上述功能：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
struct S
{
  int n;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (NULL == ps)
  {
    perror("malloc->ps");
    return 1;
  }
  ps->n = 100;
  ps->arr = (int*)malloc(40);
  if (NULL == ps->arr)
  {
    perror("malloc->arr");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    ps->arr[i] = i + 1;//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
  }
  //调整
  int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);
  if (ptr != NULL)
  {
    ps->arr = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  //打印
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d\n", ps->arr[i]);
  }
  //释放
  free(ps->arr);
  ps->arr = NULL;
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

那么柔性数组的优势是什么呢？

使用柔性数组只用了一次malloc就解决问题了，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。

如果你在内存空间中多次开辟空间，内存碎片（内存和内存之间留下的缝）就越多，这些内存碎片就可能不能被很好地利用，内存的利用率就越低；同时，访问速度也会变低。

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）

动态内存管理（2）