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动态内存（malloc、calloc、realloc）详解前言一、动态内存函数的介绍二、常见的动态内存错误三、关于动态内存的经典例题四、柔性数组

目录

  • 前言
  • 一、动态内存函数的介绍
    • 1.1 malloc和free
    • 1.2 calloc
    • 1.3 realloc
  • 二、常见的动态内存错误
    • 2.1对NULL指针的解引用操作
    • 2.2对动态开辟空间的越界访问
    • 2.3 对非动态开辟内存使用free释放
    • 2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
    • 2.5 对同一块动态内存多次释放
    • 2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
  • 三、关于动态内存的经典例题
    • 例题一
    • 例题二
    • 例题三
    • 例题四
  • 四、柔性数组
    • 4.1 柔性数组的特点
    • 4.2 柔性数组的使用
      • 应用特点1、2
      • 应用特点1、2、3
      • 一般方法

前言

我们在以前开辟空间大小时存在这样的问题：

  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，那数组在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。

一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free

malloc

函数原型：

malloc()

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 ，

    malloc

     的行为是标准是未定义的，取决于编译器，它需要引头文件

    #include <stdlib.h>

     。

    malloc

     和

    free

     都声明在

    stdlib.h

     头文件中。

  • malloc

     开辟的空间是在堆上申请的。 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//申请空间
	int *p = (int*)malloc(40);//向内存(堆区)申请40个字节，并强制转换为int*类型
	if (p == NULL)
	{
		return - 1;
	}
	//开辟成功
	int i = 0;
	for ( i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//初始化数组元素
	}
	//释放空间
	free(p);//把当前所指的这块空间还给操作系统
	p = NULL;//释放空间之后，p还是指向原地址，所以要将p置为空。
	return 0;
}

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：

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。

1.2 calloc

calloc

原型：

  • 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：

    malloc

     只负责在堆区申请空间，并且返回起始地址，不初始化空间。

    calloc

     在堆区申请空间，并且初始化为0，返回起始地址。 
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//申请10个int的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//输出开辟空间失败原因
		//如果开辟的空间太大，则有可能导致开辟空间失败。比如：int* p = (int*)calloc(100000000, sizeof(int));这样就会导致开辟空间失败。
		return -1;
	}
	//申请成功
	int i = 0;
	for ( i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//初始化10个元素全为0
	}

1.3 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，为了合理的使用内存，我们就要对内存的大小做灵活的调整。

    realloc

     函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

函数原型：

  • 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。
  • 这个函数在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

在调整内存空间时存在两种情况：

情况1：原有空间之后有足够大的空间。

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情况2：原有空间之后没有足够大的空间。

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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。

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。

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//申请10个int的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//输出开辟失败原因
		return -1;
	}
	//申请成功
	int i = 0;
	for ( i = 0; i < 10; i++)
	{
		 *(p + i) = i;//初始化
	}
	//空间不够，增加空间至20个int
	int *ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//返回的是调整之后那块空间的起始地址
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;   //如果增容成功，则赋给p
	}
	else
	{
		return -1;
	}
	for ( i = 10; i < 20; i++)
	{
		*(p + i) = i;//初始化剩下的10个整形
	}
	//打印
	for ( i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//打印1-20
	}
	//释放空间
		free(p);
		p = NULL;
	return 0;
}

二、常见的动态内存错误

2.1对NULL指针的解引用操作 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int *p = (int*)malloc(20);
	//if (p == NULL)
	//{
	//	return -1;
	//}
	*p = 0;//这样写代码是有风险的
	return 0;
}

如果

malloc

开辟空间失败，代码走到

*p = 0;

，

p

为空指针，

*p

对空指针进行解引用操作，这种操作是有问题的。应该在代码中加上判断p是否为空的语句。

2.2对动态开辟空间的越界访问 

int main()
{
	int *p = (int*)malloc(200);  //开辟200个字节空间，（200/4）最多50个元素
		if (p == NULL)
		{
			return -1;
		}
		//使用
		int i = 0;
		for ( i = 0; i < 80; i++)//这里造成越界访问
		{
			*(p + i) = i;
		}
		free(p);
	    p = NULL;
	return 0;
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放 

int main()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//错误，释放了一块非堆上的空间
	p = NULL;
	return 0;
}

free

只能释放动态内存开辟的空间。

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分 

int main()
{
	int *p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
		if (p == NULL)
		{
			return -1;
		}
		//使用
		int i = 0;
		for ( i = 0; i < 10; i++)
		{
			*p++ = i;//这里执行完之后，p已经不再指向空间的起始位置了
		}
		//释放
		free(p);
		//释放掉的是开辟空间之后的部分，不能从中间的一部分释放，要从起始位置开始释放空间
		p = NULL;
	return 0; 
}

释放掉的是开辟空间之后的部分，不能从中间的一部分释放，要从起始位置开始释放空间。

2.5 对同一块动态内存多次释放 

int main()
{
	int *p = (int*)malloc(40);
			if (p == NULL)
			{
				return -1;
			}
		//使用
			//....
			
			//释放
			free(p);
			//p = NULL;
			free(p); 
			//p = NULL;//两次释放,每次释放完之后，要将释放的指针变量赋值为空
	return 0; }

两次释放,每次释放完之后，要将释放的指针变量赋值为空。

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

在堆区上申请的空间有两种回收的方式:

  1. 主动

    free

     。
  2. 当程序退出的时候，申请的空间也会回收。 
int main()
{
	int *p = (int *)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		return -1;
	}
	//使用
	//....
			
	//忘记释放了
	getchar();
	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。

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

三、关于动态内存的经典例题

例题一 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char *p)
//str传给p的时候，是值传递，p是str的一份临时拷贝，所以当malloc开辟的空间起始地址放在p中的时候，不会影响str，str依然为NULL
{
	p = (char *)malloc(100);//当str是NULL，strcpy想把helloworld拷贝到str所指向的空间，程序就崩溃了，因为NULL指针
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(str);//str还是原来的空指针
	strcpy(str, "hello world");//拷贝失败，程序崩溃
	printf(str);
}
int mian()
{
	Test();
	return 0;
}
  1. 程序运行会崩溃，

    str

     传给

    p

     的时候，是值传递，

    p

     是

    str

     的一份临时拷贝，所以当

    malloc

     开辟的空间起始地址放在

    p

     中的时候，不会影响

    str

     ，

    str

     依然为NULL。当

    str

     是

    NULL

     ，

    strcpy

     想把

    helloworld

     拷贝到

    str

     所指向的空间，程序就崩溃了，因为

    NULL

     指针指向的空间是不能直接访问的。
  2. 并且这个程序还存在内存泄露，

    malloc

     开辟的空间没有被

    free

     。

  3. GetMemory(str);

     函数一但返回，形参

    p

     就会被销毁，销毁之后就会找不到开辟空间的起始地址，就不能回收掉这块空间了。

代码改正：

方法一：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#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);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

改法二：通过返回值的方式

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//char* GetMemory(char *p)
char* GetMemory()//也可以不传参
{
	//p = (char *)malloc(100);
	char *p = (char *)malloc(100);
	return p;//返回地址
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	str = GetMemory(str);//返回值用str接收
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放空间
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

例题二

返回栈空间地址的问题:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char *GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world"; //创建局部数组，局部数组是放在栈上的，出了这个范围p就会被销毁
	//返回p之后，这个函数栈帧销毁，这块空间就不属于p了
	return p;
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();//打印出随机值
	return 0;
}

程序运行之后打印出的是随机值，

GetMemory

函数里面创建局部数组，局部数组是放在栈上的，出了这个范围

p

就会被销毁，返回

p

之后，这个函数栈帧销毁，这块空间就会还给操作系统，就不属于

p

了。

例题三 

void GetMemory(char **p, int num)
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str); //内存泄露，要free
	//free(str); //要加上free
	//str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

存在内存泄露，开辟空间用完之后要记得free。

例题四 

void Test(void)
{
	char *str = (char *)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	//str = NULL; //free之后要将str置为空。
	if (str != NULL)//非法访问内存，str此时是野指针
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

非法访问内存，

str

此时是野指针，

free

之后要将

str

置为空。

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（操作系统）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。

四、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。

struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
	//int a[];//或者写成这种，也是柔性数组成员
};

4.1 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。

4.2 柔性数组的使用

应用特点1、2 

typedef struct st_type
{
   int i;
   int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4，特点2

应用特点1、2、3 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
 struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
	//int a[];
};
 int main()
 {
	// 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
	 struct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type) + 10 * sizeof(int)); //4+40
	 if (ps == NULL)
	 {
		 printf("%s\n", strerror(errno));//打印出错误信息
		 return -1;
	 }
	 //开辟成功
	 ps->i = 100;//给i赋值100
	 for (int i = 0; i < 10; i++)
	 {
		 ps->a[i] = i;//初始化数组为1-9
	 }
	 //打印数组a
	 for (int i = 0; i < 10; i++)
	 {
		 printf("%d ", ps->a[i]);
	 }
	 //a数组空间如果不够，希望调整为20个整型数据（扩容）
	 struct st_type* ptr = (struct st_type*)realloc(ps, sizeof(struct st_type) + 20 * sizeof(int));
	 if (ptr == NULL)
	 {
		 printf("扩展空间失败\n");
		 return -1;
	 }
	 else
	 {
		 ps = ptr;
	 }
	 //使用
	 //...

	 //释放
	 free(ps);
	 ps = NULL;
	 return 0;
 }

一般方法 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
struct st_type
{
	int i;
	int* a;
};
int main()
{
	struct st_type* ps = (struct st_type*)malloc(sizeof(struct st_type));
	ps->i = 100;
	ps->a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//给a开辟40个字节空间
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			ps->a[i] = i;
		}
		//打印
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", ps->a[i]);
		}
		//a指向的空间不够，扩容
	int* ptr = (int*)realloc(ps->a, 20 * sizeof(int));//调整新的大小为80个字节
	if (ptr == NULL)
		{
			printf("扩展空间失败\n");
			return -1;
		}
		else
		{
			ps->a = ptr;
		}
	 free(ps->a); //先释放a
	 ps->a = NULL;
	 free(ps);//后释放ps
	//调用free可以释放结构体，这个结构体内的成员也需要free
	return 0; 
}

上述 2个代码段可以完成同样的功能，但是 使用柔性数组实现有两个好处：

  • 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。

以上。

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