c语言--动态内存管理（malloc、realloc、free、calloc)

news2025/1/12 8:46:46

一、为什么要有动态内存分配
二、 malloc和free
- 2.1 malloc
三、 calloc和realloc
- 3.1calloc
- 3.2 realloc
四、常见的动态内存的错误
- 4.1 对NULL指针的解引用操作
- 4.2 对动态开辟空间的越界访问
- 4.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的一部分
- 4.5对同⼀块动态内存多次释放
- 4.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
五、动态内存经典笔试题分析
- 5.1题目一
- 5.2题目二
- 5.3题目三

一、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，必须指定数组的⻓度，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。

二、 malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数malloc：

在这里插入图片描述

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//20字节--存放5个整数--申请空间
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)//判断p是否是空指针
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	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
在这里插入图片描述

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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//20字节--存放5个整数--申请空间
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)//判断p是否是空指针
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//释放空间
	free(p);//把空间的使用权限还给了操作系统
	//传递给free函数的是要释放内存的起始地址
	p = NULL;
	return 0;
}

三、 calloc和realloc

3.1calloc

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。
在这里插入图片描述
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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	//20字节--存放5个整数--申请空间
	int* p = (int*)calloc(5,sizeof(int));
	if (p == NULL)//判断p是否是空指针
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放空间
	free(p);//把空间的使用权限还给了操作系统
	//传递给free函数的是要释放内存的起始地址
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
所以如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。

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
在这里插入图片描述
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()
{
	//20字节--存放5个整数--申请空间
	int* p = (int*)calloc(5,sizeof(int));
	if (p == NULL)//判断p是否是空指针
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用空间
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i)=1+i;
	}
	//希望把空间调整为40个字节
	int* ptr=(int*)realloc(p, 40);
	if (ptr != NULL)//调整成功
	{
		p = ptr;
		int i = 0;
		for (i = 5; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i +1 ;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	else//调整失败
	{
		perror("realloc");
		free(p);
		p = NULL;
	}

	return 0;
}

注意：
realloc可以完成和malloc一样的功能比如：

realloc(NULL,20)//malloc(20)

四、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);
 }

五、动态内存经典笔试题分析

5.1题目一

#include<stdio.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);
}
int main()
{
		Test();
	return 0;
}

上面程序有啥问题？
1.程序崩溃-对NULL的解引用操作
在这里插入图片描述

2.内存泄漏
那么怎么解决这种问题呢？
解决方案一：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
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;
}
int main()
{
		Test();
	return 0;
}

在这里插入图片描述
解决方案二：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str=GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
		Test();
	return 0;
}

在这里插入图片描述

5.2题目二

返回栈空间地址的问题

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

运行结果：
在这里插入图片描述
那么为什么会出现这种问题呢？
等GetMenory()返回函数值之后，str再去找GetMemory()的内容的时候， GetMemory(）里面的内容已经被销毁了。

5.3题目三

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