【C语言】动态分配内存

news2024/12/27 11:09:29

内存的五大分区

1、堆区（heap）——由程序员分配和释放， 若程序员不释放，程序结束时一般由操作系统回收。注意它与数据结构中的堆是两回事

2、栈区（stack）——由编译器自动分配释放 ，存放函数的参数值，局部变量等。其操作方式类似于数据结构中的栈

3、静态全局区

1）未初始化静态全局区 —— 静态变量，全局变量，没有初始化的存在此区
2）初始化的静态全局区 —— 静态变量、全局变量，赋过初值的存放在此区

4、文字常量区——常量、字符串就是放在这里的。 程序结束后由系统释放

5、(程序)代码区——用于存放函数体的(二进制)代码

内存五大区

静态分配与动态分配

在数组一章中，介绍过数组的长度是预先定义好的，在整个程序中固定不变。但是在实际的编程中，往往会发生所需的内存空间取决于实际输入的数据，而无法预先确定 。为了解决上述问题，C语言提供了一些内存管理函数，这些内存管理函数可以按需要动态的分配内存空间，也可把不再使用的空间回收再次利用。而动态分配内存就是在堆区分配空间。

静态分配

  1. 在程序编译或运行过程中，按事先规定大小分配内存空间的分配方式。如：int a[10]

  2. 必须事先知道所需空间的大小。

  3. 一般以数组的形式，分配在栈区或静态全局区。

  4. 按计划分配。

动态分配

  1. 在程序运行过程中，根据需要大小自由分配所需空间。

  2. 分配在堆区，一般使用特定的函数进行分配。

  3. 堆区开辟空间，手动申请手动释放，更加灵活。

  4. 按需分配。

动态分配内存函数

#include <stdlib.h>

malloc

void *malloc(unsigned int size);

malloc的全称是memory allocation，中文叫动态内存分配，用于申请一块连续的指定大小(size)的内存块区域以void*类型返回分配的内存区域地址，当无法知道内存具体位置的时候，想要绑定真正的内存空间，就需要用到动态的分配内存，且分配的大小就是程序要求的大小。

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。

  1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针；
  2. 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；
  3. 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(强制类型转换)；
  4. 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。
  5. 如果多次malloc申请的内存，第1次和第2次申请的内存不一定是连续的。
//我们直接给出分配的大小是可以的
char* rec2=(char*) malloc(20);
//当然，我们一般会以如下这种形式给出分配的大小。因为不同的操作系统可能数据类型的大小不同，这样写更符合规范
//指针 = (指针类型*）malloc(数据数量 *sizeof(指针类型))
char* rec1=(char*) malloc(20*sizeof(char));

free

void free(void *ptr)

我们不能为所欲为的开辟空间，因为空间是有限的，所以应当有借有还。C语言为我们提供了free函数，专门用来做动态内存的释放和回收。

  1. ptr：开辟后使用完毕的堆区的空间的首地址

  2. 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；

  3. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么操作都不进行。

  4. free函数只能释放堆区的空间，其他区域的空间无法使用free

  5. free释放空间必须释放malloc或者calloc或者realloc的返回值对应的空间，不能说只释放一部分。

  6. free§; 注意当free后，因为没有给p赋值，所以p还是指向原先动态申请的内存。但是内存已经不能再用了，p变成野指针了，所以一般为了防止野指针，会free完毕之后对p赋为NULL

  7. 一块动态申请的内存只能free一次，不能多次free

实例1：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
	// 向内存申请10个整型的空间
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		// 打印错误原因
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	else
	{
		// 正常使用空间
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(p + i) = i;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	// 当动态申请的空间不再使用的时候应该还给操作系统
	free(p);
	// 将p置为NULL，防止野指针 
	p = NULL;
	return 0;
}

实例2：倒序输出一个字符串

#include <string.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	char* src="hello,world"; 
	char* dest=NULL;
	int len=strlen(src);
	dest=(char*)malloc(len+1);// 要为\0分配空间
	char* d=dest;
	char* s=src+len-1;// 指向最后一个字符
	while(len--!=0){ 
		*(d++)=*(s--);// 注意不要丢掉*号
		*d ='\0';// 字符串的结尾不要忘记'\0'
	} 
	printf("%s",dest);
	free(dest);// 使用完要释放空间，避免内存泄露
	dest = NULL; // 释放不等于安全，将其置为空指针的操作不可省略
	return 0;
}

calloc

void * calloc(size_t nmemb,size_t size);
  • size_t ：无符号整型，它是在头文件中，是用typedef定义出来的
  • nmemb：要申请的空间的块数
  • size：每块的字节数

（1）函数的功能是为 nmemb 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把这块空间的每个字节初始化为0；
（2）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.

realloc

void* realloc(void *s,unsigned int newsize);

如果我们在使用内存的过程中需要对内存的大小进行调整怎么办呢？C语言同样为我们提供了一个函数叫 realloc

  • s：原本开辟好的空间的首地址
  • newsize：重新开辟的空间的大小
  • 返回值：新的空间的首地址

在原本申请好的堆区空间的基础上重新申请内存，新的空间大小为函数的第二个参数
如果原本申请好的空间的后面不足以增加指定的大小，系统会重新找一个足够大的位置开辟指定的空间，然后将原本空间中的数据拷贝过来，然后释放原本的空间
如果newsize比原先的内存小，则会释放原先内存的后面的存储空间，只留前面的newsize个字节

char* p1=(char*)malloc(80*sizeof(char));//申请80个字节的内存
p1=(char*)realloc(p1,100);//将内存重新开辟为100个字节，可以认为是增加了20个字节 
p1=(char*)realloc(p1,50);//将内存重新开辟为50个字节，可以认为是减少了30个字节

常见的动态内存易错警示

1、不能对NULL指针的解引用操作

因为NULL是一个特殊的指针值，表示指针没有指向任何有效的对象或地址。对NULL指针解引用会导致程序崩溃或未定义的行为，因为程序在试图访问一个不存在的内存地址。

因此，在使用指针之前，应检查其是否为NULL，并确保指向有效的内存地址。

2、不能对动态开辟空间的越界访问

对动态内存的越界访问可能会导致程序崩溃或产生未定义的行为。

这是因为动态内存分配需要在运行时进行，并且程序员需要手动管理内存的分配和释放。如果程序员在访问动态内存时越界，就会导致访问到未分配的内存或者已经释放的内存，从而可能导致程序崩溃或出现未定义的行为。

此外，动态内存的越界访问还可能会导致数据损坏、安全漏洞等问题。因此，程序员需要注意动态内存的边界，并且避免越界访问。

3、不能对非动态内存使用free

因为非动态开辟的内存是在程序运行时从栈上分配的，而不是从堆上分配的。栈上分配的内存是由系统自动管理的，程序员无法控制其释放。因此，如果试图使用free函数来释放栈上的内存，会导致程序崩溃或不可预测的行为。所以只有动态开辟的内存才能使用free函数进行释放。

4、不能对同一块动态内存free多次

对同一块动态内存多次释放会导致程序崩溃或出现未定义的行为。因为在第一次释放后，操作系统会将该内存块标记为可用，此时这块内存空间就可以被其他变量所占用。所以再次释放时该内存块由于已经被标记为可用，所以释放操作将无法成功，从而导致程序出现异常。

此外，多次释放同一块内存还会导致内存泄漏和程序性能下降的风险。因此，程序员需要确保只释放已经分配的内存，且只释放一次。

其中需要注意的是，free释放的是free释放的是内存空间，而不是指针。free之后，指针仍然存在，指针指向也不变，而指针指向的内容要视情况而定，可能存在也可能不存在，具体还要看环境和编译器(VS2022是将其置为随机值的)。所以释放后的输出可能和原来的内容一样，也可能是乱码。但是综合考虑，为了安全起见还是不要有对同一块动态内存多次释放这种操作。

5、不能使用free释放动态开辟内存的一部分

错误示例：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	// 使用free释放动态开辟内存的一部分
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 0;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p++ = i;
	}
	// 回收空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

我们有这样一个操作 “*p++ = i;” ，当这个操作结束的时候，我们的指针p指向的空间已经不是我们动态开辟的完整空间了，不仅仅局限指向末尾，只要这里的p不再指向空间的初始位置，都会导致程序的崩溃。

6、不能忘记释放动态开辟的内存（内存泄漏）

动态分配的内存是由程序员手动分配的，而不是由系统自动管理的。如果程序员忘记释放动态分配的内存，那么这些内存将一直占据系统资源，导致内存泄漏和程序性能下降。此外，如果程序员在使用未初始化的动态分配内存时发生访问错误，会导致程序崩溃或出现不可预测的行为。因此，释放动态分配的内存是程序员的责任，必须确保释放内存以避免这些问题。

错误案例一：

char* p=(char*)malloc(100);
p="hellow world!";

案例分析：开始定义了一个指针型变量p在堆区开辟了100个字节的空间，而 p=“hellow world!” 之后，p指向了 hellow world! 的文字常量区，p指向的地址内存分区发生变化，那么p在堆区申请的100个字节的内存（的首地址）就丢了，即发生了内存泄漏。

错误案例二：

void fun()
{
    char* p=(char*)malloc(80);
}
int main()
{
    fun(); //第一次调用
    fun(); //第二次调用
//每调用一次则内存泄漏一次(80字节)
    return 0;
}

案例分析：fun函数每调用一次内存就会泄漏一次。因为fun函数中定义了一个指针型变量p在堆区开辟了80个字节的空间，而主函数调用完fun函数之后，既没释放也没返回，所以调用完之后开辟的空间就丢了，就会发生内存泄漏。

解决方案：可以设置一个函数的返回值，主调函数接收这个返回值并对其使用、处理或者释放。

两个问题

free(NULL)的问题

在C语言中free(NULL)的操作是合法的，C语言标准规定：如果free的参数是NULL，那么这个函数就什么也不做。

malloc(0)的问题

在C语言中malloc(0)的语法也是对的，而且确实也分配了内存，但是内存空间是0，这个看起来说法很奇怪，但是从操作系统的原理来解释就不奇怪了。

在内存管理中，内存中有栈和堆两个部分，栈有自己的机器指令，是一种先进后出的数据结构。而malloc分配的内存是堆内存，由于堆没有自己的机器指令，所以要由自己编写算法来管理这片内存，通常的做法是用链表在每片被分配的内存前加个表头，里面存储了被分配内存的起始地址和大小。malloc等函数返回的就是表头里的起始指针（这个地址是由一系列的算法得来的，而这些操作又是由编译器的底层为我们做的，我们并不需要关心如何操作）

动态分配内存成功之后，就会返回一个有效的指针。而对于分配0空间来说，算法会得出一个可用内存的起始地址，但可用的空间为0，而操作系统一般不知道其终止地址，一般是根据占用大小来推出终止地址的。所以对malloc(0)返回的指针进行操作就是错误的。

但需要注意，即使malloc(0)也要记得free掉，因为malloc还会额外分配内存来维护申请的空间，malloc(0)时并不是什么也不做。

四道试题

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？
答案为：程序崩溃

对于本题，很多人的注意力会集中于 “printf(str);” ，实际上这里并没有问题，它等价于 “printf(“%s\n”,str);” 。

解析代码：
看到 “GetMemory(str);” ，我们在这里传递的是 str 本身的值，而不是 str 的地址，进入 GetMemory 函数以后，我们在堆上开辟了100个空间，我们将这些空间放置在 p 中，这里的 p 作为一个形参变量，在 GetMemory 函数结束以后，这个 p 就销毁了， 实际上 str 仍然是NULL，而接下来我们想要将 “hello world” copy 到 str 中去，但是 str 作为NULL，它并没有指向一个有效的空间，进行操作的时候，无法避免的进行了非法访问，虽然后边的 printf 操作没有问题，但是程序在 strcpy 操作时就已经崩溃了。

总结：
（1）运行代码程序会出现崩溃现象；
（2）程序存在内存泄漏问题：

str 以值传递的形式给 p
p 是 GetMemory 函数的形参，只在函数内有效
等 GetMemory 函数返回之后，动态开辟内存尚未释放
并且无法找到，所以会造成内存泄漏

题目2

“返回栈空间地址问题”

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？
答案为：随机值（或者崩溃）

解析代码：
看到 “str = GetMemory();” ，进入 GetMemory 函数的时候，p[] 这个数组是GetMemory 函数内的形参，它申请了一个空间，这个空间只在 GetMemory 函数内存在，在 GetMemory 函数结束的时候，的确将 p 的地址返回了，放置在 str 中，但是当 GetMemory 调用完成之后，p 这个数组开辟的空间返还给操作系统了，这个空间里存放的值，我们是不清楚的，接下来 “printf(str);”
打印出来的值我们不清楚，所以结果为随机值。

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？
答案为：
（1）输出hello
（2）但是有内存泄漏

解析代码：
看到 “GetMemory(&str, 100);” ，将 str的地址传入 GetMemory 函数，用二级指针p 来接收，那么 *p 指向的地址即为 str ，然后将 “hello” copy 到 str 当中，再打印出来，这些操作都没有问题，但是当我们使用完 str 以后，忘记释放动态开辟的内存，导致了内存泄漏。

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？
答案为：
（1）world
（2）非法访问内存（篡改动态内存区的内容，后果难以预测，非常危险）

解析代码：
首先，我们向系统申请了100个字节，地址存放在 str 中；然后，我们把 “hello” copy 到 str 当中去；接下来，我们释放了这块空间，之后， str 指向的这块空间已经还给操作系统了；然后，进行判断： str 是否为空指针，虽然之前我们对申请的动态内存进行了释放，但是 str 的值并没有改变，仍然是 “hello”，所以它不为空指针；进入if语句后，将 “world” copy 到 str 当中，world 就把 hello 给覆盖了；所以打印 str 以后结果为 world。

虽然打印了world，但是这个程序依然出了问题，对于 “free(str);” 操作：已经把空间释放掉了，这表明这块空间已经不属于我们了，我们已经不能再使用这块空间了，但是接下来我们还将 world 放进去，并且打印，这就属于非法访问内存了。

参考博文：

https://blog.csdn.net/m0_73759312/article/details/128763422

https://blog.csdn.net/qq_61672347/article/details/125904571

https://blog.csdn.net/WZRbeliever/article/details/121461425

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