C语言进阶---动态内存管理

动态内存管理

  • 前言:
  • 一、为什么存在动态内存分配?
  • 二、动态内存函数的介绍
    • 1.数据在不同区域的储存:
    • 2、malloc和free
    • 3、calloc
    • 4、realloc
  • 三、常见的动态内存错误
    • 1、对NULL指针的解引用操作
    • 2、对动态开辟空间的越界访问
    • 3、对非动态内存开辟的空间进行free
    • 4、对动态内存开辟的空间只进行一部分释放
    • 5、对同一块动态内存多次释放
    • 6、动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
  • 四、几个经典的笔试题
  • 五、柔性数组
    • 1.什么是柔性数组?
    • 2、柔性数组的特点
    • 3、柔性数组的使用
    • 4、柔性数组的优势

前言:

一、为什么存在动态内存分配?

常规的情况:

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1 
#include <stdio.h>
int main()
{
	int val = 20;//在栈空间上开辟4个字节
	char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个连续空间的字节
	return 0;
}

在这里插入图片描述

二、动态内存函数的介绍

1.数据在不同区域的储存:

在这里插入图片描述

2、malloc和free

malloc函数的介绍:
malloc是C语言中开辟指定空间字节大小的函数:
在这里插入图片描述
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。

free函数的介绍:
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:
在这里插入图片描述
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。
#include <stdio.h>
int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	//代码2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要?
	return 0;
}

3、calloc

calloc也是动态内存开辟的函数:

  • 它是开辟num个size大小的字节空间
  • 与malloc不同的是,他在返回开辟空间的起始地址之前,已经把开辟的那个空间全部都初始化为0
int main()
{	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

calloc函数与malloc函数的最大区别是:calloc函数会将开辟的那块空间全部都初始化为0。

4、realloc

  • realloc函数的出现会让动态内存管理更加灵活!
  • 有时我们发现申请的空间要么过大,要么过小,不能够很好地充分利用开辟的内存空间,所以说这个时候realloc的出现如同救世主一般。
    在这里插入图片描述
    参数1(void* ptr):指向先前分配有内存块空间的指针,也可以是空指针,但是NULL的话,这个realloc函数的功能就和malloc一样。
    参数2(size_t size):内存块的新大小,以字节为单位,size_t就是无符号整形。

对于realloc的返回值有三种情况:

  • 情况1. 如果需要在原空间上再开辟新的空间,而且原空间后方有足够大的空间,够开辟,那么就在原空间后面追加:
    在这里插入图片描述

  • 情况2:如果原空间后方的空间已经被占用,没有地方再开辟。那么realloc函数会在堆区中重新找一块能够储存这么大空间的地方,并且返回这个新空间的地址,然后把原来空间的内存释放(还给操作系统)。
    在这里插入图片描述

  • 情况三:开辟空间失败返回NULL
    具体代码进行分析:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)//开辟失败
	{
		perror("malloc fail");
		exit(-1);
	}
	else
	{
		//开辟成功
	}

	p = realloc(p, 1000);//这样可行吗?
	//nono!假设realloc开辟失败返回NULL,相当于我们现在直接将NULL赋给了p,
	//那么原来的空间已经消失不在了,出现了内存泄漏。


	//解决方法:
	int* ptr = realloc(p, 1000);//空瓶思想:我们先创建一个指针变量相当于空瓶,来暂时存放新开辟的空间地址
	//如果开辟成功,我们再把它赋给原来空间的起始地址p。
	//如果开辟失败,那么这样也避免了内存泄漏,还会找到原来那块空间的地址:p
	if (ptr!=NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc fail");
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

三、常见的动态内存错误

1、对NULL指针的解引用操作

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);
}

不能对空指针进行free!!!

2、对动态开辟空间的越界访问

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

3、对非动态内存开辟的空间进行free

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//不能对在栈区上开辟的内存进行free!!!
}

4、对动态内存开辟的空间只进行一部分释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);// P不在指向动态内存的起始位置
}

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
}

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;
 }
}
int main()
{
 test();
 while(1);
}

注意:忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。 切记: 动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放 。

四、几个经典的笔试题

例1:

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();
}

请问:运行Test函数之后会出现什么结果?
程序直接崩溃了!?
答案:核心问题就是子函数中的p是临时变量,改变它并不会改变主函数中的str。
在这里插入图片描述
例2:

局部变量的指针不能做返回值,因为函数内的空间在函数返回后就会释放掉

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

答案:GetMemory函数返回的地址无法正常使用
解析:此题考的是:局部变量的指针不能做返回值,因为函数内的空间在函数返回后就会释放掉这一点。

例3:
运行结果?


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();
}

答案:打印hello

例4:
运行结果?

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);// Str那块地址虽然被释放掉了,还给了操作系统,但是它并不是空指针。
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}//所以最终的结果会打印world
}

int main()
{
	Test();
}

答案:打印world

五、柔性数组

1.什么是柔性数组?

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,结构体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:


struct Stu
{
	int i;
	int arr[] ;//柔性数组成员
};

2、柔性数组的特点

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。

sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存:
举例:

typedef struct Stu
{
	int i;
	int arr[] ;//柔性数组成员
}Stu;

int main()
{
	printf("%d\n",sizeof(Stu));
	return 0;
}

在这里插入图片描述

3、柔性数组的使用

int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
 p->a[i] = i;
}
free(p);

4、柔性数组的优势

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

在这里插入图片描述
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