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详解动态内存管理【malloc/calloc/realloc/free函数/柔性数组】【C语言/进阶/数据结构基础】

DYBOY 2022-03-30 阅读 29
c语言c++数据结构

文章目录

前言

动态内存管理是今后学习数据结构的基础，它弥补了之前学习一般数组的缺点，即不能按需使用内存：数组在初始化时的大小就已经被确定了。这种规定虽然提高了安全性，但对合理高效地使用内存不利，这篇文章将详细讲解几种动态内存管理函数、讲解经典笔试题以加深理解、介绍C/C++内存开辟的特点以及柔性数组的使用

1. 为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有：

//1. 创建一个变量
int a = 20;//在栈空间上开辟四个字节
//2. 创建一个数组
char arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

但是上述的开辟空间的方式有两个特点：

 
    int num = 0;
    scanf("%d", &num);
    //这种写法是不被允许的

注意：

动态内存分配是在堆区上处理的

在这里插入图片描述

2. 动态内存函数

2.1 malloc和free

malloc要和free配对使用

malloc和free都声明在stdlib.h 头文件中。

2.1.1 malloc

void* malloc (size_t size);//字节

在这里插入图片描述

要点

2.1.2 free

void free (void* ptr);

在这里插入图片描述

要点

2.1.3 用例

#include <stdio.h>
int main()
{
	
	
	int* ptr = NULL;//初始化指针
	ptr = (int*)malloc(1000);

	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}

	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//free掉以后一定要将指针置空

	return 0;
}

要点

  1. 开辟内存的不同写法
ptr = (int*)malloc(1000);
ptr = (int*)malloc(100 * sizeof(int));

在这里插入图片描述

	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//free掉以后一定要将指针置空

2.2 calloc

void* calloc (size_t num, size_t size);

在这里插入图片描述

要点

举个例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));//打印
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

在这里插入图片描述

2.3 realloc

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

在这里插入图片描述

要点

  1. 情况1：原有空间之后有足够大的空间
  1. 情况2：原有空间之后没有足够大的空间

在这里插入图片描述

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

3. 常见错误

3.1 对NULL指针解引用

void test()
{
  int num = 0;
	scanf("%d", &n);
	int* p = (int*)malloc(num);
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

改进

void test()
{
  int num = 0;
	scanf("%d", &n);
	int* p = (int*)malloc(num);
	if(p != NULL)//判断指针是否为空
	*p = 20;
	free(p);
}

3.2 越界访问动态开辟空间

void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//这里只开辟了10个int大小的空间
	if (NULL == p)
	{
		return 0;
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//循环11次，当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

3.3 使用free释放非动态开辟内存

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//ok?
}

3.4 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(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
		return 0;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = 1;
		p++;//改变了起始地址
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
		return 0;
	free(p);//c第一次
	p = NULL;
	//一堆代码...
	free(p);//第二次
	p = NULL;
	return 0;
}

3.6 动态开辟内存未释放（内存泄漏）

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
	return 0;
}

4. 笔试题

4.1 题目1

//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.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;
}

解读

改进

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

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

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

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
char* GetMemory(char* p)//改变了返回值类型
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);//将返回值赋值给str
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(ptr);
	ptr = NULL;
}

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

请思考 ：一般变量在函数调用完毕后会被销毁，那这块开辟的内存空间也会被销毁吗？

4.2 题目2

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

解读

4.3 题目3

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

解读

4.4 题目4

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

解读

改进

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

5. C/C++程序的内存开辟

以一段代码为例

在这里插入图片描述

C/C++程序内存分配的几个区域：

以上图理解static修饰局部变量

6. 柔性数组

C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做柔性数组成员。

例如

typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;

6.1 柔性数组的特点

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
	return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
struct s
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
};
int main()
{
	int i = 0;
	struct s* p = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 100 * sizeof(int));
	//使用指针变量维护和使用malloc开辟内存要强转
	p->i = 100;//修改成员i的值
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;//修改成员a的值
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

以上代码和下面等价，但有所不同。以下面的代码为例与之作比较。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;//后面把这个指针变量当数组使用
}type_a;
int main()
{
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	//为结构体开辟内存
	p->i = 100;//修改成员i
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
	//为数组成员开辟内存
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;//修改数组成员
	}
	//释放空间
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

这里将一个数组作为结构成员，并单独为它开辟内存空间，每次通过结构访问成员使用它，这和柔性数组的特性是十分类似的。

不同或者说是前者的优点

结语

动态内存管理是数据结构的基础，一个比较长的链表需要不断地开辟和释放内存，但这么做的意义不仅在于更灵活地使用数组，弥补一般数组不能按需增加长度的缺点，更在于这么做能提高内存的使用效率，这是单纯一个数组无法做到的。
欢迎指正！
如果你有收获的话，不妨给作者一个鼓励吧~

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