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【进阶C语言】动态内存分配

本章大致内容介绍:

1.malloc函数和free函数

2.calloc函数

3.realloc函数

4.常见错误案例

5.笔试题详解

6.柔性数组

一、malloc和free

1.malloc函数

(1)函数原型

函数参数:根据用户的需求需要开辟多大的字节空间,为无符号的字节。

返回值:malloc函数成功开辟内存后,会返回该内存的起始地址,可以根据需要强制转换成任意的类型;若开辟空间失败,则会返回空指针(NULL)。

头文件:#include<stdlib.h>

(2)使用方法

1)申请空间:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int  main()
{int* p = (int*)malloc(40);return 0;
}

目的:申请十个整形空间,所以参数传:4*10=40。

结果:用一个整形指针来接收其返回值

2)检查安全和使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int  main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL)//必须对指针安全性检查{printf("申请空间失败\n");return;}//申请成功就开始用int i = 0;for (i=0;i<10;i++){*(p+i) = i;}i = 0;for (i=0;i<10;i++){printf("%d\n",*(p+i));}return 0;
}

当使用结束之后,我们需要删除该动态生成的空间,则需要对空间进行释放,这就是我们接下来讲的free。

2.free函数

(1)函数原型

1.参数为动态开辟内存的首地址

2.无参数返回

3.头文件#include<stdlib.h>

(2)配合动态内存开辟的函数使用

前面malloc函数开辟的内存还没释放,接下来它们配合使用。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int  main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("申请空间失败\n");return;}//申请成功就开始用int i = 0;for (i=0;i<10;i++){*(p+i) = i;}i = 0;for (i=0;i<10;i++){printf("%d\n",*(p+i));}free(p);p = NULL;//及时将指针置空return 0;
}

注意事项:

1.free只能释放由动态内存开辟的空间

2.free释放的是指针所指向的那块空间,释放后指针仍在,但是指向的空间不咋了,就会变成野指针,所以我们需要及时置空。

二、calloc

1.函数定义

函数参数:第一个参数是需要开辟的数据个数,第二个是该数据类型的内存大小。

返回值:calloc函数成功开辟内存后,会返回该内存的起始地址,可以根据需要强制转换成任意的类型;若开辟空间失败,则会返回空指针(NULL)。

头文件:#include<stdlib.h>

2.calloc的使用

目的:需要开辟10个整形空间

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int  main()
{int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));if (p == NULL){printf("申请空间失败\n");return;}//申请成功就开始用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}free(p);p = NULL;//及时将指针置空return 0;
}

运行结果:

根据malloc和calloc函数使用的两段代码,好像除了名字和参数之外,其他没什么不同呀?其实他们还有一处区别。

3.calloc函数与malloc函数的区别

(1)区别

malloc函数开辟好空间之后,并不会对其初始化,但是calloc函数开辟好空间之后,会将数据的每一个字节都初始化成0。

(2)对照

1)malloc

2)calloc

除了以上三点不同之外,其他的都一样。所以我们需要根据内存需求,需不需要初始化内存而选择合适的开辟方式。

三、realloc

1.函数定义

realloc可以对已有的内存进行调整

函数参数:ptr是要调整的内存地址,size为内存调整之后的新大小,单位是内存总大小(字节)

返回值:内存调整后的起始地址,同样有申请内存成功和失败两种情况

头文件:#include<stdlib.h>

2.realloc申请空间成功的两种情况

(1)原空间后的空间足够大

开辟空间方式: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。

(2)原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。而原有数据也会被拷贝到新内存中。

3.realloc的使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int  main()
{int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));if (p == NULL){printf("申请空间失败\n");return;}//申请成功就开始用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d\n", *(p + i));}//要求加大空间内存int* ptr = realloc(p,40*sizeof(int));if (ptr == NULL){printf("内存开辟失败\n");return;}p = ptr;//将新开辟好的内存赋值原地址free(p);p = NULL;//及时将指针置空return 0;
}

realloc的使用一般在原有空间的情况下,同样也需要对指针进行判空操作和free。

我们也可以看到,free和这些函数是紧紧联系在一起的。

四、常见错误解析

这些错误都是动态内存开辟前后的问题,与指针也有很大的联系

1.对NULL指针的解引用操作

错误写法:

int main()
{int* p = (int*)malloc(4);*p = 20;printf("%d\n",*p);return 0;
}

malloc有可能开辟动态内存失败,则会返回NULL,这个时候对NULL指针解引用操作就是非法的。

正确写法:

int main()
{int* p = (int*)malloc(4);*p = 20;if (p == NULL)//对指针安全性限制{perror(malloc);return;}printf("%d\n",*p);
//后续需要对内存释放return 0;
}

 知识点1:在每次动态内存开辟完成之后,都要先对其指针进行判空操作;若非空,才能对其进行后续的操作。

2.对动态开辟空间的越界访问

错误写法:

int main()
{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);
}

错误的后果提示:

知识点2:在对指针解引用操作时,要注意指针所指向的个数

3.对非动态开辟内存使用free释放

错误写法:

test()
{int a = 100;int* p = &a;free(p);//错误
}

知识点3:free函数只能释放动态开辟的内存,否则会非法。

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

错误写法:

int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置

当p++之后,p指向的起始位置就变了,当free(p)之后,会释放不完整,也会造成内存泄漏。

知识点4:使用指针,尽量不要改变指针指向的起始地址。可以再重新使用新指针进行++或--操作;或者+1/-1操作。

5.对同一块动态内存多次释放

错误写法:

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
}

知识点5:切记要对内存释放,但是每一块内存有且只能释放一次。

6.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

错误:

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

这是忘记对动态内存的释放的,也是不可取的。

五、关于动态内存开辟的笔试题

分析下面四道代码题存在什么问题

运行Test函数会有什么样的后果

1.对NULL解引用操作

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

1.str指针为空

2.malloc开辟的空间只是被p指向,没有被str指向(相当于形参的改变不影响实参)

3.所以strcpy函数就会对NULL指针进行解引用操作

4.没有free操作,还会操作内存泄漏

图解:

正确写法:

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

2.

问题代码:

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

1.字符数组p为栈空间的局部变量,函数返回后会被销毁

2.数组被销毁,返回的p就是野指针(所指向的空间已不属于自己)

 类型代码情况:

int* test()
{int a = 10;return &a;
}
int main()
{int* p = test();printf("%d\n",*p);return 0;
}

这种运行的结果仍然可以得到10,虽然空间依然属于p,但是值仍在,没有被其他的数据覆盖。但是下面这种情况则不行。

3.题目3

问题代码:

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

动态开辟的内存,最后没有被free释放

4.

问题代码:

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

1.str所指向的空间已被销毁

2.str变成野指针,对其解引用操作为非法

六、柔性数组

1.柔性数组的定义

标准定义: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。

也就是说,柔性数组不是指简单的数组,而是在结构体中的数组。

有两种写法:

第一种:

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

 a数组就称为柔性数组。但是这种定义方式容易报错,所以我们还有第二种。

第二种:

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

就是不需要指定数组的大小,数组的大小是未知的。

2.柔性数组的特点

(1)sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

(2)结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

因为柔性数组是不计入sizeof的计算的,只有柔性数组成员sizeof就会出错。

(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。

在计算包含柔性数组的结构体时,柔性数组是不计入内存的计算的。大于结构体内存大小的部分就会分配给柔性数组。

 (4)代码验证

struct S
{int a;int arr[];
};
int main()
{struct S s;printf("%zd\n",sizeof(s));//计算该结构体的内存大小return 0;
}

运行的结果:

 柔性数组确实是不会参加sizeof对结构体的计算

3.柔性数组的使用

(1)开辟空间

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct S
{int a;int arr[];
};
int main()
{struct S* ps=(struct S*)malloc(sizeof(struct S)+16);if (ps == NULL){perror(malloc);return;}return 0;
}

(2)增容(realloc函数)

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct S
{int a;int arr[];
};
int main()
{struct S* ps=(struct S*)malloc(sizeof(struct S)+16);if (ps == NULL){perror(malloc);return;}struct S* str = (struct S*)realloc(ps,sizeof(struct S)+40);if (str != NULL){ps = str;}else{perror(realloc);return;}return 0;
}

 用malloc开辟空间之后,再用reallo增容(减容)。增容之后的空间都会加在柔性数组上,这个时候数组的大小就可以根据realloc变化,因此称为柔性数组。

 

4.柔性数组的优势

(1)方便内存释放

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct S
{int a;int arr[];//定义一个柔性数组
};
int main()
{struct S* ps=(struct S*)malloc(sizeof(struct S)+16);if (ps == NULL){perror(malloc);return;}struct S* str = (struct S*)realloc(ps,sizeof(struct S)+40);if (str != NULL){ps = str;}else{perror(realloc);return;}free(ps);ps = NULL;return 0;
}

因为开辟的空间都是连续的,在一块内存中,所以只需要free一次即可。

我们再对比一下另一种写法就更加明显了。

 结构体中有指针的写法:

struct S
{char c;int i;int* data;//定义一个指针
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc1");return 1;}ps->c = 'w';ps->i = 100;ps->data = (int*)malloc(20);if (ps->data == NULL){perror("malloc2");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){ps->data[i] = i;}for (i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", ps->data[i]);}//空间不够了,增容int* ptr = (int*)realloc(ps->data, 40);if (ptr == NULL){perror("realloc");return 1;}else{ps->data = ptr;}//增容成功就使用//...//释放free(ps->data);//第一次ps->data = NULL;free(ps);//第二次ps = NULL;return 0;
}

1.两次开辟空间的原因是使得他们的数据都开辟在堆区上

2.使得跟第一种一样的写法,突然第一种的优势

3.这种写法开辟的空间是不连续的,容易造成空间零碎空间,导致空间浪费。

(2)有利于访问速度和节约内存

连续的内存有益于提高访问速度,也有益于减少内存碎片,更大程度的利用内存空间。

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