C语言之旅：动态内存管理

目录

一.为什么要有动态内存分配

二.malloc和free

2.1 malloc

2.2 free

2. 3malloc和free的使用

三. calloc 

四. raelloc

4.1 代码示例：

4.2 注意事项：

4.3 对动态开辟空间的越界访问

4.4 对非动态开辟内存使⽤free释放

4.5 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

 4.6 对同⼀块动态内存多次释放

4.7 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4.8 内存的分布：

五.  练习

题目1：

题目2：

题目3：

题目4：

六.柔性数组

6.1 什么是柔性数组

6.2柔性数组的使用

6.3柔性数组的优势

一.为什么要有动态内存分配

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节 
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

上述的开辟空间的⽅式有两个特点：

• 空间开辟大小是固定的。

• 数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了大小不能调整 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。

C语言引⼊了动态内存开辟，让程序员自己可以申请和释放空间，就比较灵活了。

二.malloc和free

2.1 malloc

malloc 是一个用于动态内存分配的库函数，它属于标准库 <stdlib.h>。malloc 函数允许你在程序运行时分配指定数量的字节，并返回一个指向所分配内存的指针。

void* malloc (size_t size);

如果内存分配成功，它将返回一个非空。

如果失败，它将返回 NULL。

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。

2.2 free

free 是一个用于释放之前由 malloc、calloc 或 realloc 函数分配的内存的函数。它定义在 <stdlib.h> 头文件中。

当你使用 malloc、calloc 或 realloc 函数在堆上分配内存时，你负责在不再需要这块内存时使用 free 函数来释放它。如果不这样做，你的程序将会消耗越来越多的内存，直到耗尽所有可用的内存，这通常会导致程序崩溃或其他不可预见的错误。

函数的原型如下：

void free(void *ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

 • 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。 

2. 3malloc和free的使用

代码示例：

#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h> int main() {int n = 5;   int* arr; arr= (int*)malloc(n * sizeof(int));// 检查malloc是否成功分配了内存  if (arr == NULL) {printf("内存分配失败！\n");return 1; // 返回一个错误代码  }// 使用分配的内存  for (int i = 0; i < n; i++) {arr[i] = i * 2; }for (int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", arr[i]);}printf("\n");// 释放分配的内存  free(arr);return 0; // 程序成功执行完毕  
}

三. calloc 

calloc 是 C 和 C++ 语言中的一个库函数，用于动态内存分配。与 malloc 函数相似，calloc 也用于在堆上分配内存，但它会额外地将分配的内存区域初始化为零。

calloc原型：

void *calloc(size_t num, size_t size);

参数：
num：要分配的元素数量。
size：每个元素的大小（以字节为单位）。

代码示例：

#include <stdlib.h>  
#include <stdio.h> 
int main() 
{int* ptr;int num = 5;int size = sizeof(int);// 使用 calloc 分配内存并初始化为零  ptr = (int*)calloc(num, size);if (ptr == NULL) {perror("calloc");exit(0);}for (int i = 0; i < num; i++) {printf("%d ", ptr[i]);  }free(ptr);return 0;
}

输出结果：

0 0 0 0 0

如果我们申请空间时要对其初始化，那么就可以用calloc。

四. raelloc

当我们申请分配了一块内存，但在程序执行过程中发现这块内存的大小不够或过大时，可以使用realloc来动态地调整其大小。

函数原型：

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

ptr：指向之前分配的内存块的指针。如果 ptr 为 NULL，则 realloc 的行为与 malloc 相同，即分配一块新的内存。
size：新分配的大小（以字节为单位）。

4.1 代码示例：

int main() {int* ptr = NULL;size_t Size = 4; // 初始分配4个整数的空间  // 初始内存分配  ptr = (int*)malloc(Size * sizeof(int));if (ptr == NULL) {perror("malloc");return 1;}// 初始化分配的内存空间  for (size_t i = 0; i < Size; ++i) {ptr[i] = i + 1; }// 打印初始数据  for (size_t i = 0; i < Size; ++i) {printf("%d ", ptr[i]);}printf("\n");// 扩展内存  Size *= 2;  int* Ptr1 = realloc(ptr, Size * sizeof(int));if (Ptr1 == NULL) {perror("realloc");// 如果realloc失败，释放原始内存并退出程序  free(ptr);return 1;}// 如果realloc成功，更新ptr指针  ptr = Ptr1;// 初始化新分配的内存空间（这里仅初始化新增的部分）  for (size_t i = Size / 2; i < Size; ++i) {ptr[i] = i + 1;   }for (size_t i = 0; i < Size; ++i) {printf("%d ", ptr[i]);}printf("\n");free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

4.2 注意事项：

1. 检查malloc和realloc的返回值：确保malloc和realloc调用成功分配了内存。如果它们返回NULL，表示内存分配失败。

2. 不要直接对realloc的返回值进行操作：在将realloc的返回值赋给原始指针之前，先检查它是否为NULL。如果realloc失败，它会释放原始内存并返回NULL。如果你直接对realloc的返回值进行操作，而没有检查它是否为NULL，你可能会丢失对原始数据的引用，并且如果之后尝试访问原始数据，可能会导致程序崩溃。

3. 避免野指针：在释放内存后，将指针设置为NULL，以避免野指针。

五. 常⻅的动态内存的错误

5.1 对NULL指针的解引用操作

代码示例：

void test() 
{int* p = (int*)malloc(sizeof(int));*p = 20; free(p); p = NULL; 
}

malloc因为任何原因（如内存不足或整数溢出）未能成功分配内存，它会返回NULL。但是在这个函数中，没有检查malloc的返回值是否为NULL。如果p是NULL，那么解引用*p = 20;将会导致程序崩溃。

正确代码示例：

void test() 
{int* p = (int*)malloc(sizeof(int)); if (p == NULL)     {// 处理内存分配失败的情况  perror("malloc ");return;}*p = 20;   free(p); // 释放内存  p = NULL; // 避免野指针 
}

4.3 对动态开辟空间的越界访问

代码示例：

void test()
{int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){perror("malloc");return;}for (i = 0; i <= 10; i++){*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问 }free(p);
}

正确代码：

void test()
{int i = 0;int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (NULL == p){perror("malloc");return;}for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}free(p);
}

4.4 对非动态开辟内存使用free释放

错误示范：

int main() 
{int a = 10; int* ptr = &a; // 错误的尝试free(ptr);   return 0;
}

在这个例子中，a是在栈上分配的，它的生命周期与包含它的函数相同。不能使用free来释放它，因为free只适用于通过malloc、calloc或realloc等函数在堆上动态分配的内存。

正确代码：

int main() 
{int* a = (int*)malloc(sizeof(int));     if (a == NULL) { return 1;}*a = 10;  free(a);a = NULL;  return 0;
}

4.5 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

int main() 
{int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (a == NULL) {       perror("malloc");return 1;}for (int i = 0; i < 10; ++i) {a[i] = i;}// 错误尝试：释放内存块的一部分   free(a + 5); return 0;
}

正确的做法是保留原始指针a，并在不再需要整个内存块时调用free(a);来释放它。

正确代码示例：

int main() 
{int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (a == NULL) {perror("malloc");return 1;}for (int i = 0; i < 10; ++i) {a[i] = i;}// 正确释放整个内存块  free(a);   a = NULL; // 避免野指针 return 0;
}

 4.6 对同⼀块动态内存多次释放

错误示例：

int main()
{int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (a == NULL){perror("malloc");return 1;}free(a);free(a);//重复释放return 0;
}

正确示范：

int main()
{int* a = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (a == NULL){perror("malloc");return 1;  }free(a);a = NULL;return 0; 
}

4.7 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

错误示例：

void test() 
{int* a = (int*)malloc(sizeof(int)); if (a == NULL) {     perror("malloc");exit(1);}}int main() 
{for (int i = 0; i < 1000; ++i) {test(); // 每次调用都会泄漏一个int大小的内存  }  return 0;
}

在test函数每次调用都会分配一个新的int大小的内存块，但从未释放它。由于test在main函数的循环中被调用了1000次，因此程序结束时会有1000个int大小的内存块被泄漏。

正确做法在test函数中添加free函数进行释放。

切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

4.8 内存的分布：

五.  练习

题目1：

void GetMemory(char *p){p = (char *)malloc(100);}void Test(void){char *str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf("%s\n", str);}

GetMemory 函数中分配的内存无法被 Test 函数中的 str 指针访问。因为 C 语言中函数参数是通过值传递的，所以 GetMemory 函数中接收到的 p 是 str 指针的一个副本。当 p 被重新分配内存后，原始的 str 指针在 Test 函数中并未改变，它仍然是一个空指针。

在 strcpy 函数调用中，将字符串 "hello world" 复制到 str 所指向的内存，但由于 str 是 NULL，这将导致程序崩溃。

正确写法：

void GetMemory(char** p) 
{*p = (char*)malloc(100); if (*p == NULL) {perror("malloc");exit(1);}
}void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str); if (str != NULL) {strcpy(str, "hello world");   printf("%s\n", str); free(str);  str = NULL;}
}

题目2：

char *GetMemory(void){char p[] = "hello world";return p;}void Test(void){char *str = NULL;str = GetMemory();printf(str);}

GetMemory函数中的p是一个在栈上分配的字符数组，它包含了字符串"hello world"和一个的终止符\0。当GetMemory返回时，这个数组不再存在，但是str仍然指向原来的内存位置。因此，当在Test函数中使用str时，访问它会导致未定义，可能是崩溃，也可能是打印出其他值。

正确写法：

char* GetMemory(void)
{char* p = malloc(strlen("hello world") + 1);  // 分配足够的内存来存储字符串和终止符if (p == NULL) {       perror("malloc");exit(1);}strcpy(p, "hello world");  return p; 
}void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();if (str != NULL) {printf("%s\n", str); free(str); }
}

在这个修正后的代码中，GetMemory函数使用malloc在堆上分配足够的内存来存储字符串"hello world"和它的终止符。

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);}

未释放内存：应该在Test函数的末尾添加free(str);

正确写法：

void GetMemory(char** p, int num)
{*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);free(str);str = NULL;}

题目4：

 void Test(void){char *str = (char *) malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if(str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}}

free(str)后，str指针并未被置为NULL，在if(str != NULL)检查中，这个条件始终为真。free(str)被调用后，str成为了一个野指针，因为它指向的内存已经被释放，但指针本身的值（内存地址）没有改变。

正确写法：

void Test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);str = NULL;if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}
}

六.柔性数组

6.1 什么是柔性数组

柔性数组，是C99标准中引入的一个特性.在C语言中，结构体的最后一个元素可以是一个大小未知的数组，这就是柔性数组。

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

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;

柔性数组的特点：

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少⼀个其他成员。

• sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

 • 包含柔性数组成员的结构用malloc()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。

例如：

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>typedef struct {int i;int a[]; 
} type_a;int main()
{int i = 0;type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));//业务处理 p->i = 100;for (i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i;}free(p);return 0;
}

6.3柔性数组的优势

代码示例：

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>typedef struct st_type
{int i;int* p_a; 
} type_a;// 分配内存并初始化type_a结构体的函数  
type_a* c_type_a(int size) 
{type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));if (p == NULL) {perror("malloc");return NULL;}p->p_a = (int*)malloc(size * sizeof(int));if (p->p_a == NULL) {perror("malloc");free(p); return NULL;}p->i = size; for (int i = 0; i < size; i++) {p->p_a[i] = 0;}return p;}int main() 
{type_a* ta = c_type_a(10);if (ta != NULL){for (int i = 0; i < ta->i; i++) {ta->p_a[i] = i;   }    for (int i = 0; i < ta->i; i++) {printf("%d ", ta->p_a[i]);}printf("\n");free(ta->p_a);ta->p_a = NULL;free(ta);}return 0;

第⼀个好处是：方便内存释放.

如果我们的代码是在⼀个给别⼈用的函数中，你在⾥⾯做了⼆次内存分配，并把整个结构体返回给用户。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能 指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存⼀次性分配好了，并返 回给用户⼀个结构体指针，用户做⼀次free就可以把所有的内存也给释放掉。

第⼆个好处是：这样有利于访问速度.

 连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。

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