【C】动态内存管理
@[toc] 本章重点
- 为什么存在动态内存分配
- 动态内存函数的介绍
- malloc
- free
- calloc
- realloc
- 常见的动态内存错误
- 几个经典的笔试题
1.为什么存在动态内存分配
我们已经掌握的内存开辟方式有：
#include<stdio.h>
int main()
{
int num = 10;//向内存申请了4个字节的空间
int arr[10];//向内存申请了40个字节的空间
return 0;
}这种内存开辟，如果开辟多了，那么内存空间就会浪费
但是上述的开辟空间的方式有两个特点： 1. 空间开辟大小是固定的。 2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组编译时开辟空间的方式就不能满足了,这时候就只能试试动态存开辟了。
2.动态内存函数的介绍
2.1 malloc和free
malloc函数特点
C语言提供了一个动态内存开辟的函数malloc
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
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的行为是标准未定义的，取决于编译器。
malloc返回值的检查
#include<stdlib.h>//malloc
#include<errno.h>//errno
#include<string.h>//streror
int main()
{
// 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。
//存放10个字节，用指针来维护，而如果是void类型，向后移动几个字节是不能确定的，所以一般不这样写，
//通常要进行强制类型转换，这样如果对指针进行++，或者解引用操作，就知道指针向后移动几个字节和取几个字节的空间。
int* p =(int*)malloc(INT_MAX);// INT_MAX是有符号整数最大值
//检查
if (p == NULL)//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。
{
printf("%s\n", strerror(errno));/*打印错误信息*/
return 1;
}运行结果：
最好还是将开辟的空间释放掉，这时我们就要搭配下面这个函数进行空间的释放：
空间释放函数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。
malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。
malloc以及后面的calloc 必须和free成对出现，不然会造成内存泄露
示例：
#include<stdlib.h>//malloc
#include<errno.h>//errno
#include<string.h>//streror
int main()
{
//void* p = malloc(40);//向内存申请了40个空间
int* p = (int*)malloc(40);
int* ptr = p;//若不进行此步，后面的free(p);是错误的，因为p本来指向的是空间的起始位置，但是前面的循环使p指向了后半部分空间，使空间不能完全释放
//检查
if (p == NULL)//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。
{
printf("%s\n", strerror(errno));/*打印错误信息*/
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*ptr = i;
ptr++;
}
//释放
free(p);
p = NULL;//为了避免通过p非法访问已经释放的空间，这里将p置为空指针
return 0;
}进行调试，监视内存，我们可以清楚地看到free释放内存空间，并将p置为空的效果：
2.2 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。 - malloc以及calloc 必须和free成对出现，不然会造成内存泄露
示例：
#include<stdio.h>//perror
#include<stdlib.h>//calloc
//calloc函数
int main()
{
//40个字节-10个整型
//malloc（40）
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
//检查
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 1; i < 10; i++)
{
*(p + 1) = i;
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}调试结果如图，
可以理解为calloc = malloc+（memset将开辟的空间初始化为0）。
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。
2.3 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，那为了合理的时候内存，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，要扩展内存就直接在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址。 由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
示例：
#include<stdlib.h>//realloc
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
//检查
if (p == NULL)
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));
}
//增加空间
int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//将p开辟的空间改为80个字节
//当realloc开辟失败的时候，返回的是NULL，所以也需要检查
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;//为了方便管理，下面还使用p，引入ptr
ptr = NULL;
}
//使用
for (i = 10; i < 20; i++)
{
*(p+i) = i;
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}realloc(NULL, 40);等价于malloc(40);
3.常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc
int main()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX);//当内存开辟失败时，malloc会返回NULL
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}改进：
#include<stdio.h>//perror
#include<stdlib.h>//malloc
#include<limits.h>//INT_MAX
int main()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);//当内存开辟失败时，malloc会返回NULL
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
else
{
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}3.2 动态开辟空间的越界访问
// 越界访问
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc
int main()
{
int* p = (int*)malloc(20);//开辟20个字节的空间，相当于5个int
if (p == NULL)
return 1;
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 20; i++)//越界访问了第5个int元素（下标为4）后面的空间
{
*(p + i) = i;
//p[i] = =i;
}
for (i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}这里虽然代码可以运行，但是会有错误警告
改进：
直接将for循环中的20改为5即可
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int num = 10;//num是非动态开辟内存
int* p = #
//……
free(p);
p = NULL;
return 0;
}上面代码对非动态开辟内存使用free释放，这时编译器就会报错：
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//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;
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
//*(p + i) = i;
*p = i;
p++;//当循环了五次后，p指向了中间的元素，而不是起始位置
}
//在释放时p指向的不再是动态内存开辟的起始位置
free(p);
p = NULL;
return 0;
}这时编译器会报错：
动态内存空间必须从起始位置释放，不然是释放不了的。
3.5 对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
return 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//释放
free(p);
///p = NULL;
free(p);//第二次释放同一块内存空间，err，
//但如果前面的p置为空，程序可以正常运行
return 0;
}多次释放，而且不置空报错：
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
//函数会返回动态开辟空间的地址，记得在使用之后返回
int* get_memory()
{
int* p = (int*)malloc(40);
//……
return p;
}
int main()
{
int* ptr = get_memory();
//使用
//释放，调用时很可能忘记释放
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}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。
4.几个经典的笔试题
4.1 题目1：
#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;
}请问这个函数有什么错误？
注意：printf（str）；这种写法是正确的。
主要错误如下：
1.改变形参p，str依然是NULL，strcpy无法将”hello world”拷贝到空指针指向的地址，所以会访问出错。
2.malloc开辟的动态内存空间需要进行free释放。
代码改进：
4.2 题目2：
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}请问这个函数有什么错误？
而上图中第二个代码的写法虽然是错误的，但是在运行后可能会得到10，这时只要略作修改就得不到原来得值，如下，我们添加了输出项，对应的输出结果如下图：
究其原因，涉及到函数栈帧的部分知识：
4.3 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);
}请问这个函数有什么错误？ 通过前面的学习，我们应该可以很快地找出错误
错误：
malloc函数开辟了内存空间，但是却没有释放，造成了内存泄露地问题。这时，我们只需在后面加上
free(str);
str = NULL;即可，
改进代码如下：
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：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);//free释放开辟的动态内存空间,而不置空
if (str != NULL)//str为真
{
//str所指向的地址不属于当前程序，是野指针，这里是非法访问
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}该代码中free函数释放了malloc开辟的动态内存空间，但是没有将指针置空，导致后面调用时出现了野指针导致了非法访问。
所以一个好的代码习惯是在释放动态内存空间后，将这个空间的指针置为空。
5. 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之前介绍的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。结语：
这里我们关于动态内存管理的内容就介绍完了，文章中某些内容我们之前有介绍，所以只是一笔带过，还请谅解。 希望以上内容对大家有所帮助