c语言进阶篇：动态内存管理（相关函数、常见错误、笔试题）

c语言进阶篇：动态内存管理（相关函数、常见错误、笔试题）

目录

• 💻前言
• 🎈动态内存函数的介绍
• • 🎉 malloc和free
  • 🎉calloc
  • 🎉realloc
• 🎈常见的动态内存错误
• • 🎉对NULL指针的解引用操作
  • 🎉对动态开辟空间的越界访问
  • 🎉对非动态开辟内存使用free释放
  • 🎉使用free释放一块动态开辟内存的一部分
  • 🎉对同一块动态内存多次释放
  • 🎉动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
• 🎈经典的笔试题
• • ✏️题目一
  • ✏️题目二
  • ✏️题目三
  • ✏️题目四
• 🎈C/C++程序的内存开辟

💻前言

大家好，学习了通讯录的实现之后，引出了静态版本和动态版本的实现，静态版本我们都知道，那么动态版本的实现是如何的呢？我们需要学习几个新知识！

🍁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。

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 voi d* ，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。
4. 如果参数 si ze 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：

voi d free (voi d* pt r) ;

free函数用来释放动态开辟的内存。

1. 如果参数 pt r 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. 如果参数 pt r 是NULL指针，则函数什么事都不做。

#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);

1. 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
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。
3. 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("%sn", 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。

函数原型如下：

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

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

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，realloc是有可能扩容失败的，要对其做出相应的判断。

#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){//业务处理}else{exit(EXIT_FAILURE);}//扩展容量//代码1ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2int* p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if (p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);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

🎉对NULL指针的解引用操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);*p = 20;//如果 p的值是NULL，就会有问题free(p);p = NULL;return 0;
}

解决方案：

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){return 1;}*p = 20;free(p);p = NULL;return 0;
}

🎉对动态开辟空间的越界访问

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("%sn", 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;
}

🎉对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{int a = 10;int* p = &a;//.....free(p);p = NULL;return 0;
}

🎉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++;}//释放free(p);;//p不再指向动态内存的起始位置p = NULL;return 0;
}

🎉对同一块动态内存多次释放

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//....free(p);p = NULL;//...free(p);return 0;
}

🎉动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

void test()
{int* p = (int*)malloc(100);//....int flag = 0;scanf("%d", &flag);//5if (flag == 5)return;free(p);p = NULL;
}int main()
{test();//......return 0;
}

🎈经典的笔试题

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

✏️题目一

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;
}

修改后的代码：

void GetMemory(char** p)
{*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str);//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;
}

✏️题目二

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

✏️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);//开辟了动态内存没有释放//造成了内存泄漏
}int main()
{Test();return 0;
}

修改后的代码：

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;
}

✏️题目四

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;
}

修改后的代码：

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：

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

实际上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。