＜C语言＞ 动态内存管理

news2024/11/18 16:35:38

1.动态内存函数

为什么存在动态内存分配？

int main(){
    int num = 10;  //向栈空间申请4个字节
    int arr[10];   //向栈空间申请了40个字节
    return 0;
}

上述的开辟空间的方式有两个特点：

  1. 空间开辟大小是固定的。
  2. 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。

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。这时候就需要动态内存开辟了。

1.1 malloc和free

malloc()是用于在程序执行期间动态分配内存。它的全称是"memory allocation"，意为内存分配。malloc()函数是C标准库的一部分，它的声明在stdlib.h头文件中。

函数原型如下：

void* malloc(size_t size);

在这里，size是你想要分配的字节数，函数返回一个指向分配的内存块起始地址的指针。malloc()函数的返回类型是void*，这意味着返回的指针可以赋值给任何指针类型而无需显式转换。

下面简要解释一下malloc()的工作原理：

1.你提供想要分配的字节数，malloc()在堆内存中搜索一个足够大的连续内存块来存储这些字节。

2.如果找到了合适的内存块，它将其标记为已使用，并返回该内存块的起始地址的指针。

3.如果找不到足够大的内存块，它将返回一个NULL指针，表示内存分配失败。

注意：使用malloc()分配的内存需要使用free()函数显式地释放，否则会导致内存泄漏。

void free(void* ptr);

free()函数接受之前分配的内存块的指针，并将其释放，使其可供将来的动态分配使用。如果忘记释放之前分配的内存，程序每次运行分配代码时都会消耗更多内存，最终可能导致内存耗尽。

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

int main() {
    int n = 5;
    int* dynamicArray = (int*)malloc(n * sizeof(int));

    if (dynamicArray == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
    } else {
        // 使用分配的内存块
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dynamicArray[i] = i + 1;
        }

        // 当不再需要分配的内存时，记得释放它
        free(dynamicArray);
        dynamicArray = NULL；   
    }

    return 0;
}

在调用free()函数释放动态分配的内存后，将指针dynamicArray设置为NULL是一个良好的习惯，但不是必须的。

设置指针为NULL的优点：

  1. 避免悬挂指针（Dangling Pointer）：如果在释放内存后不将指针设置为NULL，该指针将仍然保留先前的地址。如果你在后续代码中继续使用该指针，可能会导致悬挂指针，即指针指向的内存已经被释放，这可能导致程序崩溃或产生难以调试的错误。将指针设置为NULL可以帮助你避免这种情况，因为如果尝试使用空指针，程序将产生明确的错误（空指针解引用）。
  2. 避免重复释放：在释放内存后，如果将指针设置为NULL，你可以通过检查指针是否为NULL来确定是否已经释放了内存。如果你在后续代码中错误地再次调用free()，会导致未定义的行为。

如果你在后续代码中小心地避免悬挂指针和重复释放内存，那么不设置为NULL也不会导致问题。然而，这是一个简单且有助于防范错误的额外保护措施，所以建议在释放内存后将指针设置为NULL。

1.2 calloc

calloc()是另一个动态内存分配函数，也属于标准C库（stdlib.h头文件）。与malloc()功能类似，但在使用上有一些区别。

calloc()函数的原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

其中num是你想要分配的元素数量，size是每个元素的大小（以字节为单位）。calloc()函数会为num * size字节的内存块分配空间，并将该内存块中的所有位初始化为零。

相对于malloc()，calloc()的一个优势是它会自动初始化分配的内存，这意味着你不需要手动将分配的内存清零。在某些情况下，这可能是非常有用的，特别是当你需要确保分配的内存一开始就是零值时。

实例：

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

int main() {
    int n = 5;
    int* dynamicArray = (int*)calloc(n, sizeof(int));

    if (dynamicArray == NULL) {
        printf("内存分配失败！\n");
    } else {
        // 使用分配的内存块，这里的内存已经被初始化为零
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            printf("%d ", dynamicArray[i]); // 输出: 0 0 0 0 0
        }

        // 当不再需要分配的内存时，记得释放它
        free(dynamicArray);
    }

    return 0;
}

总结：

calloc = malloc+memset 初始化为0

1.3 realloc

realloc是一个用于重新分配内存块大小的函数。具体而言，它可以用于更改之前通过malloc或calloc分配的内存块的大小。

realloc函数的声明如下：

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

参数说明：

  • ptr：指向之前已分配内存块的指针。如果ptr为NULL，则realloc的行为就相当于malloc，即分配一个新的内存块。
  • size：新的内存块大小，以字节为单位。

realloc的工作原理如下：

  1. 如果ptr为NULL，那么realloc的行为就等同于malloc(size)，它将分配一个新的大小为size字节的内存块，并返回指向该内存块的指针。
  2. 如果size为0，且ptr不为NULL，那么realloc的行为就等同于free(ptr)，即释放掉之前分配的内存块，并返回NULL指针。
  3. 如果ptr不为NULL且size不为0，realloc将尝试重新分配之前分配的内存块。可能发生以下几种情况：
    • 如果之前分配的内存块大小大于或等于size，则不会分配新的内存块，而是简单地返回原始内存块的指针，不会改变原内存块的内容。
    • 如果之前分配的内存块大小小于size，realloc会尝试将原始内存块扩展到新的大小。这可能会**在原始内存块后面的可用内存空间进行扩展，如果没有足够的连续空间来扩展，则realloc可能会在另一个地方重新分配一个新的内存块，并将原始内容复制到新的内存块中。**这意味着realloc有可能返回一个新的指针，而不是原始指针，所以在使用realloc后，最好将返回的指针赋值给原来的指针。
    • 如果realloc在新的内存块分配失败时，将返回NULL，并且之前分配的内存块仍然保持未更改。

使用realloc时，应该特别注意以下几点：

  • 如果realloc返回NULL，表示重新分配失败，原来的指针仍然有效，为避免内存泄漏，应该保存原来的指针，并根据需要释放之前的内存块。
  • 当使用realloc时，最好不要直接修改原始指针，而是将realloc的结果赋值给原始指针，以防止意外的内存问题。

实例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *p = (int *) malloc(40);
    if (p == NULL)
        return 1;
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++) {
        *(p + i) = i;
    }

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //增加空间
    // p = (int *)realloc(p, 80); //如果开辟失败的话，p变成了空指针，不能这么写
    int *ptr = (int *) realloc(p, 80);
    if (ptr != NULL) {
        p = ptr;
        ptr = NULL;
    }
    //当realloc开辟失败的时候，返回的也是空指针
    //使用
    for (i = 10; i < 20; i++) {
        *(p + i) = i;
    }

    for (i = 10; i < 20; i++) {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

//输出结果：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2.常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int* p = (int*)malloc(20);
    *p = 5;  //错误,空指针解引用
    //为了不对空指针解引用  需要进行判断
    if (p == NULL) {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    else {
        *p = 5;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

2.2 对动态开辟空间的越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *p = (int *) malloc(20);
    if (p == NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 20; i++)//越界访问    20个字节 只能访问5个整型
    {
        *(p + i) = i;
    }

    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {

    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);// ok?

    return 0;
}

在这里插入图片描述

编译器会直接报错

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *p = (int *) malloc(40);
    if (p = NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        *p = i;
        p++;
    }
    //释放
    //在释放的时候，p指向的不再是动态内存空间的起始位置
    free(p);// p不再指向动态内存的起始位置
    p++;
    return 0;
}

2.5 对同一块动态内存多次释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        *(p + i) = i;
    }
    //重复free
    free(p);
    p = NULL;//如果将p赋值为NULL  就可以在free，否则编译器会直接报错
    free(p);

    return 0;
}

2.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int *get_memory() {
    int *p = (int *) malloc(40);

    return p;
}

int main() {
    int *ptr = get_memory();
    //使用

    //释放  如果不释放 就会导致内存泄漏
    free(ptr);
    return 0;
}

3.C/C++程序的内存开辟

在这里插入图片描述

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。

普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。 但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长。

4.经典笔试题

4.1 题目1

#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);
}

int main() {
    Test();
    return 0;
}

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。

在GetMemory函数中，传入的char *p是一个局部变量，当在函数内部对其进行修改，并不会影响到原始调用函数中的指针。这是因为函数的参数是通过值传递的，即函数得到的是实参的副本，对参数的修改不会影响原始的实参。

在Test函数中，将一个NULL指针str传递给GetMemory函数，然后在GetMemory函数中分配了内存并将新的地址赋给p。但这对str并没有影响，str仍然是一个NULL指针，指向未分配的内存。

接着，在Test函数中使用strcpy将字符串拷贝到str指向的内存，但是str指向的内存并没有被分配，这将导致未定义行为。

为了正确地分配内存并使用指针，需要修改GetMemory函数，使其返回分配的内存地址，并在Test函数中接收返回的指针。另外，别忘了在使用完内存后，需要使用free函数来释放动态分配的内存。

改写1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void GetMemory(char **p) {
    *p = (char *) malloc(100);
}

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str);   //传指针的地址
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //释放
    free(str);
    str = NULL;
}

int main() {
    Test();
    return 0;
}

改写2：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
char *GetMemory() {
    char *p = (char *) malloc(100);
    return p;
}

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();   //接受返回的p
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //释放
    free(str);
    str = NULL;
}

int main() {
    Test();
    return 0;
}

4.2 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？

在GetMemory函数中，定义了一个局部数组char p[] = "hello world";，然后将该数组的地址返回给调用者。但是，一旦GetMemory函数执行完毕，其局部变量（p数组）将被销毁，因为它是一个自动存储类别的局部变量。所以，返回的指针指向的是已经无效的内存。

在Test函数中，你将GetMemory的返回值赋给指针str，然后使用printf打印str指向的内容。由于GetMemory返回的是一个无效的指针（指向已经被销毁的局部数组），printf可能会打印出垃圾值，或者程序崩溃，或者导致其他不可预测的结果。

这个问题被称为"悬挂指针"问题，因为指针悬挂在指向已经无效的内存位置上。

要解决这个问题，可以考虑使用动态内存分配来分配存储字符串的内存，并在使用完后记得使用free来释放内存。

修改后的代码示例：

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

char *GetMemory(void) {
    char *p = (char *)malloc(strlen("hello world") + 1);
    if (p != NULL) {
        strcpy(p, "hello world");
    }
    return p;
}

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

int main() {
    Test();
    return 0;
}

4.3 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？

没有释放内存，导致内存泄漏

修改后的代码实例：

void GetMemory(char **p, int num) {
    *p = (char *)malloc(num);
}

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
    }
}

4.4 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？

str被提前释放，再次访问str会导致野指针行为

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