【C进阶】动态内存管理（2）

1、经典笔试题

试题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？

运行结果：程序崩溃

主要问题：

str指针变量放了个空指针，接下来调用GetMemory函数，此函数传的是str指针变量本身，p其实就是str的一份临时拷贝，当前p放的就是NULL，此时malloc在内存的堆区上申请了100个字节大小的空间，并且返回起始地址，假设返回0x0012ff80放入p中，p是形参，一旦出了GetMemory函数，p就销毁了，此时那100个字节大小的空间地址就找不到了，p的改变是不会引起str的改变，此时str依旧是空指针，此时再把hello world放到str里头取就会出现问题，非法访问内存。

次要问题：

使用malloc函数没有判断其是否为空指针

结束后未释放

解决办法：传地址

法一：

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

• 法二：

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

试题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？

• 结果：

解析：

首先，创建了一个指针变量str，并将其赋值了一个空指针，str接收GetMemory的返回值，p数组放了hello world\0，并且是在栈上开辟的空间，该数组只在GetMemory函数内部有效，出了函数就销毁了，即使返回了地址，但是出了函数，hello world\0这块空间已经不存在了，此时str就是一个野指针，再去访问内存就是非法访问内存，所以打印出随机值

解决办法：

法一：（static修饰）

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

• 法二：

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

试题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？

• 结果：

• 解析：

虽然结果如约输出hello，但是该代码有一个问题，就是没有释放，会造成内存泄漏

• 解决办法：

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;
}

试题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？

• 结果：

解析：

首先，开辟100字节空间放在str里头，strcpy将hello\0拷贝到str里头，再 free str，将str所指向的空间释放掉，但free本身不会让str变成空指针，此时再把world拷贝到str里头去，但是str里指向的空间先前已经free掉并还给操作系统了，不能再次使用，若非要把world拷贝到str里头就会非法访问内存。

解决办法：（将str赋为NULL）

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

2、C/C++程序的内存开辟 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曾经讲过的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。

3、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。

• 例如：

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

• 有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[];//柔性数组成员
}type_a;

3.1、柔性数组的特点

1. 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
2. sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
3. 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：

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

3.2、柔性数组的使用

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//代码一：
int main()
{
  type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
  //业务处理
  p->i = 100;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 100; i++)
  {
    p->a[i] = i;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

3.3、柔性数组的优势

• 上述的 type_a 结构也可以设计为：

typedef struct st_type
{
  int i;
  int* p_a;
}type_a;
//代码2
int main()
{
  type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
  p->i = 100;
  p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
  //业务处理
  int i = 0;
  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;
  return 0;
}

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 柔性数组 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。