动态内存分配（malloc和free​、calloc和realloc​）

C/C++
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2024-05-14
C++中map和set的使用
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一、为什么要有动态内存分配​

我们已经掌握的内存开辟方式有：

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​

但是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，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小不能调整

int main() { int n = 0;// char ch = 'a'; //数组 - 存放一个班的数学成绩 int arr[30] = { 0 }; return 0; }

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、C/C++中程序内存区域划分​

以下为对内存开辟理解有帮助的概念：

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。

对于以下函数它们的内存分布关系如下：

三、malloc和free​

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

2.1、malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：​

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存的堆区申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。

  • 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
  • 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。
  • 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。
  • malloc函数申请的内存空间，当程序退出时才会还给操作系统。程序不退出，动态申请的空间不会销毁。

int main()
{
	//int arr[10];
	//int* p = (int*)malloc(40);
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    //开辟一个空间，这个空间占10个整型字节
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
        //如果前面的 malloc 函数调用失败(即没有成功分配内存),
        //则输出与 malloc 相关的错误消息。
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//使用 - 给数组赋值
	//如果不赋值,则malloc中的值为随机值
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放空间
	free(p);
	//free操作,只会把p指向的空间还给操作系统,
	//但是p中放入的地址依然是起始地址,这样操作很危险

	//为什么free函数没有把p置为空呢?
	//在void free (void* ptr);中
	//void*ptr是传值调用
	//ptr是p的临时拷贝,他没有办法修改p指向的值
	//如果用传址调用,如void**ptr,则可以修改p指向的值

	p = NULL;
	//防止p变为野指针

	return 0;

}

2.2、free​

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：​

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。

四、calloc和realloc​

3.1、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);
  • 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。
  • 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。

举个例子：​

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;

}

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。​

3.2、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，那为了合理的时候内存，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);
  • ptr 是要调整的内存地址
  • size 调整之后新大小
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • 这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到新的空间。

3.3realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

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

情况1​：

当是情况1的时候，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。

情况2​：

当是情况2的时候，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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。​

int main()
{
	//int arr[10];
	//int* p = (int*)malloc(40);
	int* p = (int*)calloc(10 , sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
        //如果前面的 malloc 函数调用失败(即没有成功分配内存),
        //则输出与 malloc 相关的错误消息。
		return 1;
	}
	int i = 0;
	
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//空间不够,想要扩大空间,20个整型
	int*ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
    // 使用realloc函数尝试将已分配的内存空间扩大到能容纳20个整型变量的空间  
    // 注意，这里使用了临时指针ptr来接收realloc的返回值,
    //以防realloc失败返回NULL时导致原指针丢失
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else {
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	//使用空间了
	//释放空间
	free(p);

	p = NULL;
	//防止p变为野指针

	return 0;
}

3.4realloc有malloc的功能

realloc函数出了调整空间外，还能实现与malloc相同的功能

int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 40);
    //int* p = (int*)malloc(100);
	
	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;

}

五、常见的动态内存的错误​

5.1对NULL指针的解引用操作​

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);
 }

正确写法 ：

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		//报错信息
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	*p = 20;//p有可能是NULL指针的
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

5.2对动态开辟空间的越界访问​

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
		//当循环到第十一次时就越界访问了
	}
	//
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

正确写法 ：

在这个修正版本中，增加了一个变量capacity来设置当前分配的内存可以存储多少整数，并在需要时使用realloc来增加容量。

int main()
{
	int capacity = 10;//记录设置空间的容量大小
	int* p = (int*)malloc(capacity * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		
		if (i == capacity)
		//判断i是否为capacity
		{
			capacity = (capacity * 2) * sizeof(int);
			//如果是再加一倍
			p = (int*)realloc(p, capacity);
			//调整内存空间
		}
		*(p + i) = i;
	}

	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

5.3对非动态：开辟内存使用free释放​

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//ok?
}
int main()
{
	int  a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	//...
	p = &a;
	//p指向的空间就不再是堆区上的空间
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

在这段代码中，首先使用malloc分配了一块内存，并将指针p指向这块内存。然后，p又指向了变量a的地址。此时，失去了对之前分配的内存的引用，因为没有任何指针指向它了。这就意味着你无法再访问或释放这块内存了，这被称为内存泄漏（memory leak）。

所以此时正确的做法是不指向&a，直接释放p的内存空间

5.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分​

void test()
 {
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置​
 }

free(p);

这行代码试图释放指针 p 所指向的内存。但是，因为 p 已经不再指向动态内存块的起始位置，这个操作是未定义的（undefined behavior）。这可能会导致程序崩溃，或者更糟糕的是，它可能会默默地破坏你的数据而不给出任何明显的错误迹象。

如果你需要对指针进行算术运算，可以保存原始指针的一个副本，以便稍后用于释放内存。

正确写法：

void test() {  
    int *original_p = (int *)malloc(100);  
    int *p = original_p;  
      
    // 对 p 进行操作...  
    p++;  
      
    // 使用原始指针来释放内存  
    free(original_p);  
}

5.5对同一块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放​
}

5.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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

int main()
{
	test();
	while (1);
}

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。

六、动态内存经典笔试题分析

题目1：​

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？​

答：程序崩溃

此处代码有两个问题：

第一个问题strcpy中的参数为空指针：

GetMemory 函数采用的是值传递，实参 str 是一个字符指针变量，形参同样用字符指针变量 p 来接收，形参是实参的一份临时拷贝，此时 p 和 str 是各自独立的两个指针变量，但它们都是空指针，此时在函数内部让 p 重新指向新开辟出来的空间，此时 p 就不是空指针了，当GetMemory 函数结束的时候 p 会被释放掉，接下来执行 strcpy ，但此时此刻的 str 依然是一个空指针，NULL 是地址为0的内存空间，这块空间是不允许去访问的，因此在执行 strcpy 的时候程序会报错。

第二个问题内存泄漏：

GetMemory 函数中动态申请的空间没有释放，占用了内存空间。

正确的写法：

解法一：
void GetMemory(char** p)//形参用二级指针接收，此时p里面存的是str的地址
{
	*p = (char*)malloc(100);//*p得到str，让str指向新开辟的空间
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);//传址调用
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
解法二：
char* GetMemory()
{
    char* p = (char*)malloc(100);//*p得到str，让str指向新开辟的空间
    return p;
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    //GetMemory(&str);
    str = GetMemory();
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}

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

还有一种解法：可以在数组 p 前面加上 static 来修饰。

"hello world" 作为字符串常量，存储在静态区，不会随着 GetMemory 执行结束而销毁。

题目2：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？​

其中最明显的是试图返回一个局部变量的地址。在C语言中，当函数执行完毕后，其栈上的局部变量会被销毁，因此返回局部变量的地址是不安全的。

这里问题的关键在于，数组p是一个局部变量，在出 GetMemory 函数的时候，数组 p 的内存空间就被销毁了，还给了操作系统，虽然把这个数组首元素的地址返了回去，但此时再通过地址去访问这一块空间，就成了非法访问。这种问题通常也被叫做返回栈空间地址的问题。

正确写法:

char* GetMemory(void)
{
	char p1[] = "hello world";
	char* p = (char*)malloc(100);
	for (int i = 0; i < 12; i++)
	{
		*(p+i) = p1[i];
	}

	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？​

缺少了空间的释放，造成了内存泄漏，但编译器未发现，仍可以执行。

正确的操作应该是在Test结束前应该清空str及其指向的空间所占用的内存，防止内存泄漏。

正确做法：

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;
}

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

题目4：

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

请问运行Test 函数会有什么样的结果？​

这段代码可以成功打印出world。但上面这段代码是有问题的，因为free已经把 str 给释放掉了，。在 free 完后没有把 str 置为空，所以 str 还是指向那块空间，此时的 str 已经变成了一个野指针，后面一些列涉及 str 的操作都属于非法访问。

正确的做法是在 free 的后面，把指针置为空。

正确解法：

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

今天就先到这了！！！

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