[C++知识库]C语言动态内存管理

前言

● 我们知道局部变量的创建、数组的使用是在栈空间上开辟的空间；对于这些内存的开辟，可以总结出俩个特点：
1.空间开辟的大小是固定的。
2.数组在声明时，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
● 但有时候我们需要的空间在程序运行时才能知道，分配的内存空间大小不能是固定的，想要实现按需求灵活可变的分配内存，就需要运用到动态内存的相关知识了！

动态内存函数的介绍

malloc和free

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

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。
• 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。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。
• 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。 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。

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，函数原型如下：

void free (void* ptr);

free函数是用来释放动态开辟的内存的：

• 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。
• 如果动态开辟的内存空间没有经过free释放，那么这些内存空间在程序退出的时候，系统才会回收这些内存空间。

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

int main()
{
	//动态内存开辟
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s", strerror(errno));
		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));
	}
    //释放动态内存
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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。原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

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。
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。

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

//开辟10个整型的空间
int main()
{
	int*p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//打印
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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，那为了合理的使用内存，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。

函数原因如下：

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， 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：

原有空间之后没有足够大的空间

如果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。

注意！这三个动态内存函数都要去判断是否开辟成功，他们如果开辟空间失败就会返回空指针。因此在代码中最好加上一段if语句来判断是否开辟成功。

代码参考：

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

//扩容时应该采取代码2的方式
int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr != NULL)
    {
        //这里进行想要进行的操作
    }
    else
    {
        printf("%s",strerror(errno));
    }
    //扩展容量
    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)
    //这里的ptr是不能直接这样调整大小的，因为一旦开辟失败，ptr就变成了野指针。
    //代码2
    int* p = NULL;
    p = realloc(ptr, 1000);
    if (p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }
    //业务处理
    free(ptr);
    ptr=NULL;
    //每次释放都要把指针变量赋值成空指针，这样才不会出现野指针的问题
    return 0;
}

• 如果realloc中的第一个参数为空指针，此时的realloc等同于malloc

realloc(NULL, 40);
//和 malloc(40);一样的效果

常见的动态内存错误

1.对空指针（NULL）的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	*p = 20;//这里没有对指针p进行是否为空指针的判断，如果为空，NULL解引用会发生错误
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

解决方法：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)//动态开辟内存之后，最好要判断是否开辟成功
	{
		return 1;
	}
	*p = 20;
	free(p);//使用结束要记得释放，否则会出现内存泄漏的问题
	p = NULL;//让指针p变为空指针，防止出现野指针的问题
	return 0;
}

2.对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{//i = 10时发生越界访问
		p[i] = i;
	}

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

一块开辟好的空间就如同数组一样，在开辟好的范围内你可以访问，但是外面的范围你不可以访问，开辟好的空间就好比你的女朋友，你的女朋友你可以亲亲抱抱举高高，但是别人的不行。

3. 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
    int a = 10;//这是栈区开辟的
    int* p = &a;
    //业务处理
    
    free(p);//这里释放的不能是栈区的空间
    p = NULL;
    
    return 0;
}

4. 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i;
		p++;//这里的指针p不再是原来的起始位置，如果释放的话，将只会释放动态内存的一部分
	}

	//释放
	free(p);;//p不再指向动态内存的起始位置
	p = NULL;

	return 0;
}

5. 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	//....
	free(p);//这里已经把开辟的空间还给了操作系统
	p = NULL;//并且这里的p已经变成空指针，失忆了，找不到原来的位置了
	//...
	free(p);//这里对p再释放，一是p指向的地址未知，而是p指向的空间不属于自己的了，无法释放

	return 0;
}

6. 内存泄漏

所谓的内存泄漏就是忘记释放开辟的空间内存，本来空间是操作系统的，你忘记了还给了操作系统，而操作系统也用不了（因为你没还给操作系统），你又不用，所以这块内存空间就无法使用。所以动态开辟内存一定一定要记得释放内存，并且要正确释放。

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//....
	int flag = 0;
	scanf("%d", &flag);//如果我在这里输入了5，那么程序就不会执行释放p的代码，造成内存泄漏
	if (flag == 5)
		return;

	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
	test();
	//......


	return 0;
}

笔试题

题目1

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
    //函数调用结束后p便会销毁
    //进行了动态内存开辟却没有释放
    //在之后也无法释放，造成了内存泄漏
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

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

代码修改：

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);//直接把指针str的地址传过去，因为是指针的地址，所以要用到二级指针
	//str存放的就是动态开辟的100字节的地址
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

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

题目2

char* GetMemory(void)
{
	//返回栈空间的地址的问题
	char p[] = "hello world";
	return p;//这里的p没有指向空间，会变成野指针
    //函数调用结束后，空间会被释放
   
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
    //str为野指针
	printf(str);
}

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

代码修改：

char* GetMemory(void)
{
	//返回栈空间的地址的问题
	char p[] = "hello world";
	return p;
    //函数调用结束后，空间会被释放
    //返回的指针成为野指针
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
    //str为野指针
	printf(str);
    str=NULL;
}

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

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);
    //开辟了动态内存没有释放
    //造成了内存泄漏
}

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

代码修改：

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

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

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

题目4

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
    //释放了动态内存未置空
    //造成了野指针问题
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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

代码修改：

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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

C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

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。

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。

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。

代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

被 static关键字修饰的局部变量

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，所以被 static关键字修饰局部变量生命周期会变长。

总结

动态内存开辟的学习对于数据结构的学习很重要，我这里的写的只是个人浅显的理解，希望对大家有所帮助！博客的分享到这就结束啦！