【C语言】动态内存的管理

前言 本篇博客就来探讨一下动态内存，说到内存，我们以前开辟空间大小都是固定的，不能调整这个空间大小，于是就有动态内存，可以让我们自己选择开辟多少空间，更加方便，让我们一起来看看动态内存的有关知识吧 个人主页：小张同学zkf 若有问题 评论区见 感兴趣就关注一下吧

1.什么是动态内存

首先我们要搞清楚什么是动态内存的分配？

平常我们定义的数组，都是在栈区分配的空间，都是分配的空间都是固定的大小

这种分配固定大小的内存分配方法称之为静态内存分配

与静态内存相对的，就是可以控制内存的分配的动态内存分配

注意：这里动态内存分配的空间是在堆区申请的，不是在栈区申请的

我们再来看看内存各个空间都是什么

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。

2. malloc和free

我们来了解下动态内存的函数，对了以下所有函数的头文件都是<stdlib.h>

2.1 malloc

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。

注意：

• 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

2.2 free

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 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;
}

看这个例子就是典型的动态内存的开辟和回收，malloc开辟空间，然后判断一下是不是开辟空间失败，若失败返回空指针，当动态内存你使用完毕之后，用free释放，释放后的指针是野指针，记得置空。

3. calloc和realloc

3.1 calloc

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 。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
 if(NULL != p)
 {
 int i = 0;
 for(i=0; i<10; i++)
 {
 printf("%d ", *(p+i));
 }
 }
 free(p);
 p = NULL;
 return 0;
}

输出结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 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

• 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

情况1

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2

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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 //业务处理
 }
 else
 {
 return 1; 
 }
 //扩展容量
 
 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
 
 //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
{
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}

realloc在vs上，是情况2的情况，自动释放旧的动态空间，在新的动态空间里开辟更大的空间，自动把就空间的数据拷贝一份到新空间，返回新空间的初始指针，所以不用再用free释放旧空间，只需释放realloc开批的新空间，记住realloc开辟的新空间也有可能开辟失败，若开辟失败，返回空指针。

4. 常见的动态内存的错误

4.1 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); }

看这个代码，这个动态内存开辟的空间没有判断p是不是空指针，有可能内存开辟失败返回空指针，若对空指针解引用，就会非法访问出错。

4.2 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); }

仔细看这个i,当它等于10时，已经不算动态内存的开辟访问的空间范围内，是越界访问，

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test () { int a = 10 ; int *p = &a; free (p); //ok? }

这个free只能对动态内存的空间释放，注意这一点

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

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

这个p指针发生改变，不在指向动态内存的起始位置，释放时只释放p现在指向的位置空间，所以只释放一部分，另一部分没释放，造成内存泄漏

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 }

一个动态内存的开辟只能释放一次，不能多次释放

4.6 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 ); }

这个test函数返回时，函数空间释放，所以找不到动态内存的的地址了，但动态内存空间还没释放，并且也释放不了，就成为内存泄露的问题

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。

5. 动态内存经典笔试题分析

5.1 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); }

当这个GetMemory函数返回时，函数空间释放，访问不到动态内存的空间了。但动态内存没释放，形成内存泄漏，由于形参是实参的临时拷贝，不影响str依旧是空指针，对空指针访问，程序崩溃

5.2 题目2：

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

首先注意这个GetMemory函数里是栈空间的变量数组，随着函数的释放，这个变量的空间也会释放，你虽然返回了数组首元素的地址，但是这个空间已经交还给系统，无权访问了，是野指针，所以我不确定到底能不能再次访问到这个数组，有可能还没有被系统把这个空间覆盖成其他内容，有可能访问到

5.3 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); }

这个是传str地址过去，是传址调用，那就用二级指针的形参接收，对二级指针解引用，将动态内存的首地址通过传址调用，让str接收到，所以此刻虽函数空间释放了，但我的动态内存的首地址拿到了，所以此刻这个str不是空指针了，可以strcpy，但可惜这个代码最终忘记释放str了，只有这一个小问题

5.4 题目4：

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

提早释放动态内存，但是只是对这个动态内存的空间没有访问的权限了，地址还是在的，通过strcpy,访问了动态内存的空间，这就是非法访问了，也就是说在没释放前，hello被拷贝过去，释放后，world无法拷贝过去

6. 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。

例如：

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

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

6.1 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。

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 ; }

6.2 柔性数组的使用

// 代码 1 # include <stdio.h> # include <stdlib.h> int main () { 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); 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。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下面的结构，也能完成同样的效果

// 代码 2 # include <stdio.h> # include <stdlib.h> typedef struct st_type { int i; int *p_a; }type_a; 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 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 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。（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）

结束语 动态内存的存储算是总结完了，动态内存我个人感觉也算是比较难，有点绕，可以多来回看看这篇博客，有什么问题跟我讨论，下一篇博客见 OK感谢观看！！