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C语言动态内存管理 —— 仅仅四个函数而已

2022-07-16 01:37:00 【龙兆万】

1.为什么存在动态内存分配

首先我们已经掌握的内存开辟方式有：定义变量、数组等。其空间都是在栈上，栈上的空间有以下几个特征：
开辟的空间大小是固定的
数组在声明的时候，必须指定数组的大小，这会影响内存分配给数组的空间
当我们学习实用动态内存之后，就可以不考虑上面的情况。

2.动态内存函数介绍

2.1 malloc

这是 C 语言提供的一个动态内存开辟的函数，其函数声明为：
void* malloc (size_t size);
这个函数向内存申请一块连续并且可用的空间，并返回此空间的地址(指针)。
那么 malloc 函数有以下几个规则：
如果开辟成功，则返回一个开辟好的空间的指针(无类型指针)
如果开辟失败，则返回一个空指针
返回值(指针)的类型是 void* ，所以使用 malloc 开辟空间时要配合强制类型转换
如果参数 size 为 0 ，此时的 malloc 的行为标准是未定义的，具体取决于编译器
接下来我们来使用 malloc 函数：
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)malloc(40);//arr 指针指向一块 40 字节的空间地址
	if (arr == NULL)//如果是返回值是空指针
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//搭配 string 类函数
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

2.2 calloc

此函数也是 C 语言提供的动态内存函数，原型如下：
void* calloc (size_t num,size_t size);
参数的意义为：开辟 num 个大小为 size 的空间。
此函数与 malloc 的区别在于，会在返回空间地址之前，把空间的每个字节都初始化为 0 。
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (arr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

2.3 realloc

realloc 函数让动态内存管理更加灵活。有时候我们会觉得使用 malloc 或 calloc 申请的空间小了或者大了，那么 realloc 就能对申请的空间进行重新调整。其函数原型如下：
void* realloc (void* ptr,size_t size);
其参数以及返回值的意义为：
ptr 是要调整的内存地址
size 是调整之后的空间大小(注意是调整之后的空间大小)
返回值为调整之后的空间地址
realloc 对重新开辟的空间有两种做法：

原有空间之后有足够大的空间，那么扩展的空间会直接追加上去
原有空间之后没有足够大的空间，那么 realloc 就会在堆区上重新找一块合适的连续空间
那么对于 realloc 的使用也非常简单：
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)calloc(5, sizeof(int));
	if (arr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int* tmp = (int*)realloc(arr, 10*sizeof(int));//现在要调整为 10 个字节的大小
	if (tmp == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
		arr = tmp;

	return 0;
}

2.4 free

其实，在没有介绍 free 之前，上面的代码都是"错误"的。free 也是 C 语言提供的函数，是专门用来做动态内存的释放和回收的。其函数原型如下：

void free(void* ptr);

free 函数有以下几个规则：

如果参数 prt 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 是空指针，那么函数什么都不做

我们补全上面的代码：

malloc：

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)malloc(40);//arr 指针指向一块 40 字节的空间地址
	if (arr == NULL)//如果是返回值是空指针
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//搭配 string 类函数
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);
	arr = NULL;
	return 0;
}

realloc：

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)calloc(5, sizeof(int));
	if (arr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int* tmp = (int*)realloc(arr, 10*sizeof(int));//现在要调整为 10 个字节的大小
	if (tmp == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	else
		arr = tmp;
	free(arr);
	arr = NULL;
	return 0;
}

calloc：

#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* arr = NULL;
	arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (arr == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);
	arr = NULL;
	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

3.1 对空指针的解引用操作

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

3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include <stdlib.h>
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);
}
int main()
{	
	test();
	return 0;
}
这种情况编译器是不会报错的，因为我们在使用数组时经常存在这个问题。但是在运行时会发生错误。

3.3 对非动态开辟的空间使用 free 释放


#include <stdlib.h>
void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//ok?
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

这种情况也会出现运行错误。

3.4 使用 free 释放动态内存的一部分

#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

3.5 对用一块内存多次释放

#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放
}
int main()
{
	test();
	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放

这种情况就像我们上面未介绍 free 之前时一样。
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}
虽然编译器不会报错，运行也不会报错，但是不释放内存是不可取的坏习惯。

4. 经典笔试题

4.1 题目一

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

4.2 题目二

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

4.3 题目三

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

4.4 题目四

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