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C语言动态内存管理

news 来源：原创 2025/6/30 23:09:35

1.为什么要有动态内存分配

内存开辟方式:

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

开辟空间的方式特点

空间开辟大小是固定德的
数组在申明的时候，必须指明数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整
但是对空间的要求，不仅仅是上述的情况，有时需要的空间大小在程序运行时才能知道，数组的编译时开辟的空间无法满足要求

C语言引入了动态内存开辟，程序员可以自己申请和释放空间，比较灵活

2.malloc 和free

2.1 malloc

c语言提供的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

2.2 free

c语言提供了另一个函数free，专门用来做动态内存释放和回收的，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
例子:

#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;
}

3.calloc和realloc

3.1calloc

c语言提供一个函数叫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会在返回地址前把申请的空间的每个字节初始化为全0
例子:

#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

如果对申请的空间的内容要求初始化,可以用calloc函数

3.2 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
realloc函数可以对动态开辟的内存大小进行调整
函数原型如下

void* realloc (void* ptr, size_t size);

ptr是要调整的内存地址
size是调整之后的大小
返回值为调整之后的内存的起始位置
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

在这里插入图片描述

情况1
当是情况1时，要扩展内存直接在原有内存之后直接追加空间，原有空间的数据不发生变化
情况2
当是情况2时，原有空间之后没有足够多的空间，扩展的方法是：在堆空间上另外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 <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;
}

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);
}

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);}

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?}

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
}

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
}

4.6动态赖皮内存忘记释放(neicunxielou)

void test()
{int *p = (int *)malloc(100);if(NULL != p){*p = 20;}
}int main()
{test();while(1);
}

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.动态内存练习题

5.1动态内存题目1：

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

解释：在GetMemory函数中，虽然为p分配了内存，但函数没有对p指向的内存进行初始化。在Test函数中，str初始化为NULL，然后调用GetMemory函数试图为str分配内存，接着使用strcpy函数向str指向的未初始化内存中复制字符串“hello”，这是一种危险的操作，可能会导致程序崩溃。最后在释放str指向的内存后将str置为NULL，这一步是正确的内存管理操作。

5.2 动态内存题目2

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

解释：当GetMemory函数返回时，局部数组p的生命周期结束。虽然函数返回了p的地址，但由于p是局部变量，其占用的栈空间可能会被其他函数调用所覆盖。在Test函数中，str接收了GetMemory返回的地址，但是这个地址所指向的内存内容已经不再是有效的“hello world”字符串了，因为p所在的栈空间已经被释放（函数调用结束）。当执行printf(str);时，结果是不可预测的。可能会输出乱码，也可能会导致程序崩溃，因为str指向的是已经被释放的栈内存。

5.3 动态内存题目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);
}

解释：在GetMemory函数中，通过*p=(char )malloc(num);成功为p（也就是Test函数中的str）分配了100字节的内存空间。
在Test函数中，str初始为NULL，经过GetMemory函数调用后，str指向了新分配的内存块。然后strcpy(str, “hello”);将“hello”字符串（包括结尾的’\0’共6个字节）正确地复制到str所指向的内存块中。最后printf(str);会输出字符串“hello”。但是，代码存在一个问题，就是没有释放str所指向的内存。在程序结束后，这部分内存会造成内存泄漏。

5.4动态内存题目4

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

解释：当调用free(str)后，str所指向的内存已经被标记为可重用状态。操作系统或者运行时环境可能会立即将这块内存用于其他目的。在if语句中，对已经释放的内存进行strcpy操作，可能会导致程序崩溃。因为这块内存可能已经被其他部分的程序重新分配或者被系统用于其他用途，写入操作可能会破坏其他数据结构或者导致访问违规。如果程序没有因为这个未定义行为而崩溃，printf(str)会尝试输出str所指向的内容，由于之前strcpy操作的不确定性（因为是对已释放内存的操作），输出结果也是不可预测的。

6.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，叫做柔性数组成员

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

有些编译器会报错改成

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

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4return 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获得了100个整型元素的连续空间

6.3柔性数组的优势

//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可以完成相同的功能，但是方法1实现有两个好处
第一个好处：方便内存释放
如果代码是在一个给别人用的函数中，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，但是用户并不知道结构体内的成员也需要free，所以，把结构体的内存以及成员的内存一次性分配好，并返回用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把内存全部释放
第二个好处：有利于访问速度
连续的内存有益于提高访问速度，有有益于减少内存碎片

拓展：C语⾔结构体⾥的数组和指针

7.总结c/c++中程序内存区域划分

在这里插入图片描述

c/c++程序内存分配的几个区域
1.栈区(stack):在执行函数时，函数内部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，栈内存分配橼酸内酯处理器的指令集中，效率很高，但是分配内存容量有限，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，程序结束后有系统释放
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

C语言动态内存管理

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