【C语言】＜动态内存管理＞我的C语言终末章

1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。
• 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整

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，那数组的编译时开辟空间的方式就不能满足了。

C语言引入了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

2. malloc和free

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。

• 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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
    int num = 0;
    scanf("%d", &num);
    int arr[num];
    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

3.1 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。

举个例子：

#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

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;
}

4.常见的动态内存错误

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);
}

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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

• 运行Test函数会导致未定义行为，很可能的结果是程序崩溃，因为GetMemory函数并没有成功地为str分配内存。

• 在GetMemory函数中，p是一个指向char的指针的局部副本。当你执行p = (char *)malloc(100);时，你只是在为局部副本p分配了内存，而原始的str指针在Test函数中仍然是NULL。

• 换句话说，GetMemory函数内的p和Test函数内的str是两个不同的变量，它们各自有自己的内存地址。修改p的值并不会影响str的值。

• 因此，当Test函数中的strcpy(str, “hello world”);被调用时，你正在尝试向一个NULL指针写入数据，这会导致未定义行为。

为了避免这个问题，你可以通过传递指针的指针（即char **）来修改Test函数中的str指针。

void GetMemory(char **p)
{
    *p = (char *)malloc(100);
}

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str);
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "hello world");
        printf("%s\n", str);
        free(str); // 不要忘记释放分配的内存
    }
    else
    {
        printf("Memory allocation failed.\n");
    }
}

5.2 题目2：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

• 运行Test函数会导致未定义行为，并且很可能的结果是程序崩溃或者输出错误的内容。

• 问题在于GetMemory函数中的局部数组p。这个数组是在函数栈帧上分配的，当GetMemory函数返回时，它的栈帧会被销毁，包括数组p。然而，GetMemory函数返回了一个指向这个局部数组的指针，这是错误的，因为这个数组已经不再存在。

• 当Test函数中的str指针接收了这个返回的指针并尝试通过printf(str);来访问它时，它实际上是在访问一个已经被释放的内存区域。这可能导致程序崩溃，或者如果这部分内存刚好被其他数据覆盖，则可能输出错误的内容。

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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

• 运行Test函数将正常输出"hello"，并且不会崩溃或产生未定义行为。

• 在这个修正后的代码中，GetMemory函数接受一个指向char指针的指针（即char **p）和一个整数num作为参数。函数内部，它使用malloc分配了num个字节的内存，并将分配的内存地址赋给*p，即str指针本身。这样，str在Test函数中就被正确地设置为了指向新分配的内存区域。

• 然后，Test函数使用strcpy将字符串"hello"复制到这块新分配的内存中，并使用printf输出它。因为str现在指向有效的内存区域，并且该区域足够大以存储字符串"hello"（包括结尾的空字符’\0’），所以strcpy操作是安全的，printf也会正常输出字符串。

• 然而，有一点需要注意：在Test函数的最后，应该调用free(str)来释放之前通过malloc分配的内存，以避免内存泄漏。

完整的Test函数应该像这样：

void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "hello");
        printf("%s\n", str);
        free(str); // 释放内存
    }
}

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);
    }
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

• 运行Test函数将会导致未定义行为，并且很可能的结果是程序崩溃。

• 在Test函数中，你首先使用malloc为str分配了100个字节的内存，并将字符串"hello"复制到这块内存中。这是正确的做法。

• 接着，你使用free(str);释放了这块内存。此时，str指针本身并没有变成NULL，它仍然指向之前分配的内存地址。但是，这块内存现在已经被释放，并且随时可能被操作系统重新分配给其他程序使用。

• 然后，你检查str是否不为NULL（它确实不为NULL，因为指针本身没有被设置为NULL），并尝试将字符串"world"复制到已经被释放的内存中。这是错误的做法，因为你正在尝试访问和操作一个不再属于你的内存区域。

• 最后，你尝试使用printf(str);打印这块内存中的字符串。由于这块内存已经被释放，并且可能已经被其他程序修改，所以打印的内容将是不可预测的，并且很可能导致程序崩溃。

• 为了避免这个问题，你应该在释放内存之后立即将指针设置为NULL。这样，任何后续的尝试访问该指针都会因为检查到NULL而避免操作无效的内存。

修正后的Test函数应该像这样：

void Test(void)
{
    char *str = (char *)malloc(100);
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "hello");
        printf("%s\n", str);
        free(str);
        str = NULL; // 将指针设置为NULL，避免悬挂指针
    }

    // 现在，任何尝试使用str的操作都会因为检查到NULL而失败
    if (str != NULL)
    {
        // 这个代码块不会执行，因为str已经被设置为NULL
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}

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：

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

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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。

例如：

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>

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

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 (int 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： 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）。

扩展阅读：
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

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。

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