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c语言进阶篇：动态内存管理（相关函数、常见错误、笔试题）
2022-08-10 03:25:00 【摸鱼王胖嘟嘟】
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前言
大家好，学习了通讯录的实现之后，引出了静态版本和动态版本的实现，静态版本我们都知道，那么动态版本的实现是如何的呢？我们需要学习几个新知识！
我们知道局部变量的创建、数组的使用是在栈空间上开辟的空间；对于这些内存的开辟，可以总结出俩个特点：
1.空间开辟的大小是固定的。
2.数组在声明时，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
但有时候我们需要的空间在程序运行时才能知道，分配的内存空间大小不能是固定的，想要实现按需求灵活可变的分配内存，就需要运用到动态内存的相关知识了！
动态内存函数的介绍
malloc和free
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
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。
- 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 voi d* ，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 si ze 为0， malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
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：
voi d free (voi d* pt r) ;
free函数用来释放动态开辟的内存。
- 如果参数 pt r 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 pt r 是NULL指针，则函数什么事都不做。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
//动态内存开辟
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s", strerror(errno));
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放动态内存
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
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。
- 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。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
//开辟10个整型的空间
int main()
{
int*p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
//打印
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
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);
情况1：
原有空间之后有足够大的空间， 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：
原有空间之后没有足够大的空间
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，realloc是有可能扩容失败的，要对其做出相应的判断。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
//扩容时应该采取代码2的方式
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(100);
if (ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//扩展容量
//代码1
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
//代码2
int* p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if (p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}
如果realloc中的第一个参数为空指针，此时的realloc等同于malloc
realloc(NULL, 40);
//和 malloc(40);一样的效果
常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用操作
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
*p = 20;//如果 p的值是NULL，就会有问题
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
解决方案：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
*p = 20;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i <= 10; i++)
{
//i = 10时发生越界访问
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
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;
}
使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//释放
free(p);;//p不再指向动态内存的起始位置
p = NULL;
return 0;
}
对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
//....
free(p);
p = NULL;
//...
free(p);
return 0;
}
动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
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 。
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
//....
int flag = 0;
scanf("%d", &flag);//5
if (flag == 5)
return;
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
//......
return 0;
}
经典的笔试题
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
️题目一
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
//函数调用结束后p便会销毁
//进行了动态内存开辟却没有释放
//在之后也无法释放，造成了内存泄漏
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
修改后的代码：
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
//str存放的就是动态开辟的100字节的地址
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
//释放
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
️题目二
char* GetMemory(void)
{
//返回栈空间的地址的问题
char p[] = "hello world";
return p;
//函数调用结束后，空间会被释放
//返回的指针成为野指针
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
//str为野指针
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
️题目三
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//开辟了动态内存没有释放
//造成了内存泄漏
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
修改后的代码：
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//释放
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
️题目四
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
//释放了动态内存未置空
//造成了野指针问题
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
修改后的代码：
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;
}
C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
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。
有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》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。
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