C語言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的示例分析

這篇文章主要介紹了C語言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的示例分析，具有一定借鑒價(jià)值，感興趣的朋友可以參考下，希望大家閱讀完這篇文章之后大有收獲，下面讓小編帶著大家一起了解一下。

什么是動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配

我們都知道在C語言中，定義變量的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)為這個(gè)變量分配內(nèi)存空間，而且這個(gè)空間是在棧上開辟的，這種方式就會(huì)有兩個(gè)特點(diǎn)。

• 開辟的空間大小是固定的

• 數(shù)組在申明的時(shí)候，必須要指定數(shù)組的長度，以方便為其分配內(nèi)存大小

但是這種方法并不能滿足我們?cè)陂_發(fā)中的需要，因?yàn)橛袝r(shí)候我們需要開辟的空間大小，是在程序巡行的過程中才能知道要開辟多大的。

這時(shí)候，數(shù)組的這種開辟方式就不能滿足了，因此也就有了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配的需要。

而動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，會(huì)根據(jù)需求而分配空間，大小是可以變化的，并且是在堆區(qū)上分配空間，而堆區(qū)的內(nèi)存空間大小一半都會(huì)比棧區(qū)大。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存函數(shù)的介紹

需要需要?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存管理，需要了解C語言中一下的幾個(gè)函數(shù)。

統(tǒng)一說明：一下的函數(shù)都包含在<stdlib.h>中。

free

void free (void* ptr)；

為了后面可以進(jìn)行代碼演示，這里先介紹free這個(gè)函數(shù)。

我們?cè)谑褂孟嚓P(guān)函數(shù)動(dòng)態(tài)開辟了內(nèi)存空間之后，函數(shù)會(huì)返回這片空間的的首地址給使用者，當(dāng)使用者用完空間之后，需要手動(dòng)對(duì)這片空間進(jìn)行釋放，把內(nèi)存空間還給操作系統(tǒng)。

如果參數(shù) ptr 指向的空間不是動(dòng)態(tài)開辟的，那free函數(shù)的行為是未定義的。
如果參數(shù) ptr 是NULL指針，則函數(shù)什么事都不做。
釋放的空間是ptr所指向的那塊內(nèi)存空間

上面的第一種情況，有可能編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)。

如果我們僅僅只是開辟空間使用，而不釋放的話，會(huì)占用內(nèi)存空間資源，造成內(nèi)存泄漏，影響性能。

因此，我們需要養(yǎng)成用完就釋放的好習(xí)慣。

malloc

void* malloc (size_t size);

這個(gè)函數(shù)向內(nèi)存申請(qǐng)一塊連續(xù)可用的空間，并返回指向這塊空間的指針。

連續(xù)可用的特點(diǎn)，就像數(shù)組一樣。

如果開辟成功，則返回一個(gè)指向開辟好空間的指針。
如果開辟失敗，則返回一個(gè)NULL指針。
返回值的類型是 void* ，因此使用者需要根據(jù)自己的需求來轉(zhuǎn)化使用。
如果參數(shù)size大小為0，malloc 的行為是標(biāo)志沒有規(guī)定的，取決于編譯器。

size的大小是按照字節(jié)為單位的。

#include <stdio.h>

int main()
{
	//代碼1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };

	//代碼2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判斷ptr指針是否為空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}

	free(ptr);//釋放ptr所指向的動(dòng)態(tài)內(nèi)存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

上面的代碼就是malloc函數(shù)的基本使用過程，在代碼1中，這樣的使用方法，一般來說編譯器是不支持的，而第二種方法，也就是動(dòng)態(tài)內(nèi)存開辟的方法，編譯器就支持。

在最后，記得要把ptr所指向的空間給釋放掉。

這個(gè)時(shí)候，ptr種存儲(chǔ)的仍然是那塊空間的地址，這就稱為了野指針，所以我們還要把ptr置空。

calloc

與malloc類相似的，C語言還提供了另外一個(gè)動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存的函數(shù)，那就是calloc。

void* calloc (size_t num, size_t size);

需要注意的是，這個(gè)函數(shù)的參數(shù)有所不同，第一個(gè)參數(shù)num是用來確定你開辟的連續(xù)空間是用來存放多少個(gè)元素的，而第二個(gè)參數(shù)size表示的是一個(gè)元素占用多少的字節(jié)。

函數(shù)的功能是為 num 個(gè)大小為 size 的元素開辟一塊空間，并且把空間的每個(gè)字節(jié)初始化為0。
與函數(shù) malloc 的區(qū)別只在于 calloc 會(huì)在返回地址之前把申請(qǐng)的空間的每個(gè)字節(jié)初始化為全0。

所以，如果我們需要在動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存的時(shí)候進(jìn)行初始化，我們可以使用calloc這個(gè)函數(shù)。

我們可以通過調(diào)試的監(jiān)視窗口來查看這個(gè)函數(shù)在開辟空間的時(shí)候是否幫我們初始化。

#include <stdlib.h>


int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		//使用空間
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

realloc

有時(shí)候我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，哪怕是使用上面的動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的函數(shù)，也會(huì)有不方便的時(shí)候。我們可能會(huì)因?yàn)榭臻g申請(qǐng)小了不夠用而去擴(kuò)容，但是如果我們使用上面兩個(gè)函數(shù)去開辟更大的空間的時(shí)候，之前的數(shù)據(jù)拷貝過來新開辟的更大的空間又很麻煩。

這個(gè)時(shí)候，我們就可以使用realloc了。

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

ptr 是要調(diào)整的內(nèi)存地址。
size 調(diào)整之后新大小，和malloc一樣，是以字節(jié)為單位的。
返回值為調(diào)整之后的內(nèi)存起始位置。
這個(gè)函數(shù)調(diào)整原內(nèi)存空間大小的基礎(chǔ)上，還會(huì)將原來內(nèi)存中的數(shù)據(jù)移動(dòng)到新的空間。

在realloc函數(shù)使用的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)兩種情況：

原有的空間之后還有足夠的空間

如果原來的內(nèi)存空間之后還有足夠的空間來滿足新的大小，這時(shí)候就會(huì)直接對(duì)原來的空間進(jìn)行擴(kuò)容，原來空間的數(shù)據(jù)不會(huì)發(fā)生變化。

原有的空間之后沒有足夠的空間

如果原來的空間之后沒有足夠的空間滿足需要，就會(huì)在內(nèi)存區(qū)域中開辟一片能夠滿足新的大小需要的連續(xù)空間，并且把原來空間的數(shù)據(jù)拷貝的新的空間中，釋放原來的空間，返回新的地址。

#include <stdio.h>

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//業(yè)務(wù)處理
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}

	//擴(kuò)展容量

	//代碼1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
	
	//代碼2
	int* p = NULL;
	p = realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//業(yè)務(wù)處理
	free(ptr);
	return 0;
}

上述代碼種，代碼1的做法是不安全的，如果我們擴(kuò)容失敗后，會(huì)返回空指針，這個(gè)時(shí)候，ptr接收了空指針，就會(huì)造成ptr原來的那塊空間的數(shù)據(jù)丟失，并且造成內(nèi)存泄漏。

因此，一般我們都需要像代碼2那樣，先用一個(gè)臨時(shí)的指針變量接收返回值，并且在判定不為空指針后再復(fù)制給ptr。

動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理中常見的錯(cuò)誤

我們?cè)谑股厦孢@些函數(shù)的時(shí)候，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)一下的錯(cuò)誤。

對(duì)NULL指針的解引用操作

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);

	//沒有進(jìn)行判空，就直接使用空間
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就會(huì)有問題
	free(p);
}

對(duì)動(dòng)態(tài)開辟空間的越界訪問

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;//當(dāng)i是10的時(shí)候越界訪問
	}
	free(p);
}

對(duì)非動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存使用free釋放

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

使用free釋放一塊動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存的一部分

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向動(dòng)態(tài)內(nèi)存的起始位置
	//這樣做一般編譯器也會(huì)報(bào)錯(cuò)的
}

對(duì)同一塊動(dòng)態(tài)內(nèi)存多次釋放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重復(fù)釋放，一般來說，編譯器會(huì)報(bào)錯(cuò)
}

動(dòng)態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放（內(nèi)存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

我們?cè)谑褂蒙厦娴暮瘮?shù)的時(shí)候，一定要小心，避免上面的這些錯(cuò)誤。

一些經(jīng)典的筆試題

題目1

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

上面的代碼有錯(cuò)，在開辟空間后，沒有進(jìn)行判空操作，并且在調(diào)用GetMemory函數(shù)的時(shí)候，傳入的形參是str的一份臨時(shí)拷貝，在函數(shù)內(nèi)部p的改變不會(huì)改變main中的str，所以在GetMemory返回的時(shí)候，p所指向的空間會(huì)泄漏，并且在strcpy中，造成了對(duì)空指針的解引用操作。

題目2

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

這段代碼也是錯(cuò)誤的，在GetMemory中，不是用動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的函數(shù)來開辟空間，而是使用數(shù)組的開辟方式，這樣的開辟方式會(huì)在棧區(qū)開辟空間，當(dāng)GetMemory函數(shù)調(diào)用完成的時(shí)候，就會(huì)銷毀開辟的數(shù)組，這時(shí)候，外面的str接收了返回的數(shù)組的地址，就會(huì)變成一個(gè)野指針。

題目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);
}

上面的代碼在使用完成動(dòng)態(tài)開辟的空間后沒有進(jìn)行判空操作，并且沒有進(jìn)行內(nèi)存釋放，造成了內(nèi)存泄漏。

題目4

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

上面的代碼提前釋放了空間，后面又使用指針對(duì)已經(jīng)釋放的空間進(jìn)行操作，這是非法的，釋放后，指向這塊空間的指針就是野指針，需要進(jìn)行置空。

柔性數(shù)組

C99 中，結(jié)構(gòu)中的最后一個(gè)元素允許是未知大小的數(shù)組，這就叫做『柔性數(shù)組』成員。

例如：

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性數(shù)組成員
}type_a;

如果有的編譯器報(bào)錯(cuò)，可以改成下面這個(gè)樣子

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性數(shù)組成員
}type_a;

柔性數(shù)組的特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)中的柔性數(shù)組成員前面必須至少一個(gè)其他成員。
sizeof 返回的這種結(jié)構(gòu)大小不包括柔性數(shù)組的內(nèi)存。
包含柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)用malloc ()函數(shù)進(jìn)行內(nèi)存的動(dòng)態(tài)分配，并且分配的內(nèi)存應(yīng)該大于結(jié)構(gòu)的大小，以適應(yīng)柔性數(shù)組的預(yù)期大小。

例如：

//code1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性數(shù)組成員
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//輸出的是4

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性數(shù)組成員
}type_a;

//代碼1
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
//業(yè)務(wù)處理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->a[i] = i;
}
free(p);

這樣柔性數(shù)組成員a，相當(dāng)于獲得了100個(gè)整型元素的連續(xù)空間。

柔性數(shù)組的優(yōu)勢(shì)

上面的代碼也可以這樣設(shè)計(jì)：

//代碼2
typedef struct st_type
{
	int i; 
	int* p_a;
}type_a;

type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;

p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));

//業(yè)務(wù)處理
for (i = 0; i < 100; i++)
{
	p->p_a[i] = i;
}

//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

上述 代碼1 和 代碼2 可以完成同樣的功能，但是 方法1 的實(shí)現(xiàn)有兩個(gè)好處：

• 方便內(nèi)存釋放

• 這樣有利于訪問速度

感謝你能夠認(rèn)真閱讀完這篇文章，希望小編分享的“C語言中動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的示例分析”這篇文章對(duì)大家有幫助，同時(shí)也希望大家多多支持億速云，關(guān)注億速云行業(yè)資訊頻道，更多相關(guān)知識(shí)等著你來學(xué)習(xí)!