【C语言】动态内存管理（C语言的难点与精华，数据结构的前置知识，你真的掌握了吗？）

引言

学习专栏：

《零基础学C语言》
《数据结构世界》

俗话说的好，要想学好数据结构（数据结构世界，对数据结构感兴趣的小伙伴可以移步），就必须学好以下三方面知识：

1. 指针
   不允许你还不了解指针的那些事（一）（内存和地址+指针变量+指针运算+野指针+传址调用）
   不允许你还不了解指针的那些事（二）（数组传参的本质+冒泡排序+数组指针+指针数组）
2. 结构体
   自定义类型：结构体（你真的掌握了内存对齐，位段吗？）
3. 动态内存管理

前两方面的知识在往期已经详细讲解，今天我们就来学习最后一方面的知识——动态内存管理

一、为什么要动态内存分配

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

所以，为了能在程序运行中，根据需求灵活地调整空间大小，C语言引入了动态内存管理。

二、动态内存分配的相关函数

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);

这个函数可以开辟一块连续的内存空间，并返回指向这块空间的指针

• 如果开辟成功，则返回指向开辟好空间的指针。
• 如果开辟失败，则返回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。

int main()
{//动态开辟10个整型空间int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL{perror("malloc fail");return 1;}//开辟成功，使用该空间//...return 0;
}

注意：malloc(0)——开辟0个字节空间，是标准未定义行为，具体取决于编译器

2.2 free

C语言提供了另外一个函数free，可以动态内存的释放和回收：

void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

• 如果参数 ptr 是指向动态内存空间的指针，则释放该空间
• 如果参数 ptr 是NULL指针，则不作任何处理。

int main()
{//动态开辟10个整型空间int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL{perror("malloc fail");return 1;}//开辟成功，使用该空间//使用完毕，释放该空间free(a);a = NULL;return 0;
}

注意：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

2.3 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。

void* calloc (size_t num, size_t size);

其实，它与malloc很相似，区别在于calloc会将开辟的连续空间，每个字节都初始化为0

int main()
{//动态开辟10个整型空间并初始化为0int* a = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL{perror("calloc fail");return 1;}//开辟成功，使用该空间//使用完毕，释放该空间free(a);a = NULL;return 0;
}

2.4 realloc

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
为了合理的运用内存，所以在开辟空间后觉得太大或太小，就可以使用realloc进行调整。

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

realloc调整成功，会返回调整后指向这块空间的指针

• ptr 是调整前空间的指针
• size 是调整后的新大小
• 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

这个时候，realloc会直接在原有空间后面直接追加开辟。

• 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

这个时候，realloc就会再找一块足够大空间，一次性开辟完，再将原数据拷贝过去。

int main()
{//动态开辟10个整型空间int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (a == NULL)//开辟不成功，返回NULL{perror("malloc fail");return 1;}//调整空间，扩大为20个整型空间int* tmp = (int*)realloc(a, 20 * sizeof(int));if (tmp == NULL)//开辟不成功，返回NULL{perror("realloc fail");return 1;}//调整成功，将空间地址给aa = tmp;//使用空间...free(a);a = NULL;return 0;
}

注意：

• 用临时变量tmp来接受realloc调整后的空间地址
• 因为如果用a接收，万一调整失败返回NULL，还会丢掉原本空间的地址

三、常见的动态内存的错误

3.1 对NULL指针的解引用

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);
}

3.2 对动态内存越界访问

void test()
{int i = 0;int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));if(NULL == p){exit(-1);//终止程序}for(i=0; i<=10; i++){*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问}free(p);
}

3.3 对非动态内存释放

void test()
{int a = 10;int *p = &a;free(p);//ok?
}

3.4 对动态内存部分释放

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

3.5 对动态内存多次释放

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

3.6 未对动态内存释放（内存泄漏）

因为程序终止会回收所有空间，所以这里用死循环来模拟程序运行中不释放动态内存，会导致内存泄漏。

int main()
{int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));while(1);return 0;
}

总结：动态开辟的内存一定要释放，并且要正确释放

四、动态内存经典笔试题分析

请先自行思考哦，不要立马看解析~

请问以下题目运行Test 函数会有什么样的结果？

4.1 题目一

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

结果：

• 程序崩溃，内存泄漏

解析：

• GetMemory函数中，动态开辟了100个字节空间。但是p是一个形参，形参是实参的一份临时拷贝，对形参的影响无法改变实参，所以str还是NULL。
• 在运行strcpy函数时，因为要拷贝的目的地是NULL，所以程序崩溃。
• 同时，动态开辟的空间未释放，还导致了内存泄漏。

4.2 题目二

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

结果：

• 有可能打印出乱码

解析：

• GetMemory函数中，开辟了p数组。p是局部变量，出了函数作用域就会销毁（空间被回收）。
• 所以，str接收p的地址时，此时已经指向一块被回收的空间。
• 打印该空间的内容，是否为乱码，取决于该空间的内容是否被其余数据覆盖

4.3 题目三

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

结果：

• 内存泄漏，有可能程序崩溃

解析：

• 这次进行传址调用，二级指针解引用，确实能改变外部str
• 但是接收到空间地址后，未进行检查，如果开辟失败，为NULL，则strcpy时依旧会程序崩溃
• 同时未对动态内存释放，造成内存泄漏

4.4 题目四

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

结果：

• 后果未知

解析：

• 假设能正常开辟动态内存
• strcpy拷贝完hello，并free进行释放
• 因为free不会自动将str置为NULL，所以以下判断不起作用，“拦不住”str这个野指针
• 最后strcpy将world拷贝到已被释放的空间，再进行打印（对已被释放的动态内存进行操作，后果未知，十分危险，很严重！）

五、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。

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;

5.1 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;
}

5.2 柔性数组的使用

int main()
{int i = 0;type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));//使用空间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。

六、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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