1.動(dòng)態(tài)內(nèi)存函數(shù)

為什么存在動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配？

int main(){
    int num = 10;  //向棧空間申請(qǐng)4個(gè)字節(jié)
    int arr[10];   //向?？臻g申請(qǐng)了40個(gè)字節(jié)
    return 0;
}

上述的開(kāi)辟空間的方式有兩個(gè)特點(diǎn)：

1. 空間開(kāi)辟大小是固定的。
2. 數(shù)組在聲明的時(shí)候，必須指定數(shù)組的長(zhǎng)度，它所需要的內(nèi)存在編譯時(shí)分配。

但是對(duì)于空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時(shí)候我們需要的空間大小在程序運(yùn)行的時(shí)候才能知道，那數(shù)組的編譯時(shí)開(kāi)辟空間的方式就不能滿足了。這時(shí)候就需要?jiǎng)討B(tài)內(nèi)存開(kāi)辟了。

1.1 malloc和free

malloc()是用于在程序執(zhí)行期間動(dòng)態(tài)分配內(nèi)存。它的全稱(chēng)是"memory allocation"，意為內(nèi)存分配。malloc()函數(shù)是C標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的一部分，它的聲明在stdlib.h頭文件中。

函數(shù)原型如下：

void* malloc(size_t size);

在這里，size是你想要分配的字節(jié)數(shù)，函數(shù)返回一個(gè)指向分配的內(nèi)存塊起始地址的指針。malloc()函數(shù)的返回類(lèi)型是void*，這意味著返回的指針可以賦值給任何指針類(lèi)型而無(wú)需顯式轉(zhuǎn)換。

下面簡(jiǎn)要解釋一下malloc()的工作原理：

1.你提供想要分配的字節(jié)數(shù)，malloc()在堆內(nèi)存中搜索一個(gè)足夠大的連續(xù)內(nèi)存塊來(lái)存儲(chǔ)這些字節(jié)。

2.如果找到了合適的內(nèi)存塊，它將其標(biāo)記為已使用，并返回該內(nèi)存塊的起始地址的指針。

3.如果找不到足夠大的內(nèi)存塊，它將返回一個(gè)NULL指針，表示內(nèi)存分配失敗。

注意：使用malloc()分配的內(nèi)存需要使用free()函數(shù)顯式地釋放，否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏。

void free(void* ptr);

free()函數(shù)接受之前分配的內(nèi)存塊的指針，并將其釋放，使其可供將來(lái)的動(dòng)態(tài)分配使用。如果忘記釋放之前分配的內(nèi)存，程序每次運(yùn)行分配代碼時(shí)都會(huì)消耗更多內(nèi)存，最終可能導(dǎo)致內(nèi)存耗盡。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int n = 5;
    int* dynamicArray = (int*)malloc(n * sizeof(int));

    if (dynamicArray == NULL) {
        printf("內(nèi)存分配失??！\n");
    } else {
        // 使用分配的內(nèi)存塊
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            dynamicArray[i] = i + 1;
        }

        // 當(dāng)不再需要分配的內(nèi)存時(shí)，記得釋放它
        free(dynamicArray);
        dynamicArray = NULL；   
    }

    return 0;
}

在調(diào)用free()函數(shù)釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存后，將指針dynamicArray設(shè)置為NULL是一個(gè)良好的習(xí)慣，但不是必須的。

設(shè)置指針為NULL的優(yōu)點(diǎn)：

1. 避免懸掛指針（Dangling Pointer）：如果在釋放內(nèi)存后不將指針設(shè)置為NULL，該指針將仍然保留先前的地址。如果你在后續(xù)代碼中繼續(xù)使用該指針，可能會(huì)導(dǎo)致懸掛指針，即指針指向的內(nèi)存已經(jīng)被釋放，這可能導(dǎo)致程序崩潰或產(chǎn)生難以調(diào)試的錯(cuò)誤。將指針設(shè)置為NULL可以幫助你避免這種情況，因?yàn)槿绻麌L試使用空指針，程序?qū)a(chǎn)生明確的錯(cuò)誤（空指針解引用）。
2. 避免重復(fù)釋放：在釋放內(nèi)存后，如果將指針設(shè)置為NULL，你可以通過(guò)檢查指針是否為NULL來(lái)確定是否已經(jīng)釋放了內(nèi)存。如果你在后續(xù)代碼中錯(cuò)誤地再次調(diào)用free()，會(huì)導(dǎo)致未定義的行為。

如果你在后續(xù)代碼中小心地避免懸掛指針和重復(fù)釋放內(nèi)存，那么不設(shè)置為NULL也不會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題。然而，這是一個(gè)簡(jiǎn)單且有助于防范錯(cuò)誤的額外保護(hù)措施，所以建議在釋放內(nèi)存后將指針設(shè)置為NULL。

1.2 calloc

calloc()是另一個(gè)動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配函數(shù)，也屬于標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)（stdlib.h頭文件）。與malloc()功能類(lèi)似，但在使用上有一些區(qū)別。

calloc()函數(shù)的原型如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

其中num是你想要分配的元素?cái)?shù)量，size是每個(gè)元素的大?。ㄒ宰止?jié)為單位）。calloc()函數(shù)會(huì)為num * size字節(jié)的內(nèi)存塊分配空間，并將該內(nèi)存塊中的所有位初始化為零。

相對(duì)于malloc()，calloc()的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是它會(huì)自動(dòng)初始化分配的內(nèi)存，這意味著你不需要手動(dòng)將分配的內(nèi)存清零。在某些情況下，這可能是非常有用的，特別是當(dāng)你需要確保分配的內(nèi)存一開(kāi)始就是零值時(shí)。

實(shí)例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int n = 5;
    int* dynamicArray = (int*)calloc(n, sizeof(int));

    if (dynamicArray == NULL) {
        printf("內(nèi)存分配失敗！\n");
    } else {
        // 使用分配的內(nèi)存塊，這里的內(nèi)存已經(jīng)被初始化為零
        for (int i = 0; i < n; i++) {
            printf("%d ", dynamicArray[i]); // 輸出: 0 0 0 0 0
        }

        // 當(dāng)不再需要分配的內(nèi)存時(shí)，記得釋放它
        free(dynamicArray);
    }

    return 0;
}

總結(jié)：

calloc = malloc+memset 初始化為0

1.3 realloc

realloc是一個(gè)用于重新分配內(nèi)存塊大小的函數(shù)。具體而言，它可以用于更改之前通過(guò)malloc或calloc分配的內(nèi)存塊的大小。

realloc函數(shù)的聲明如下：

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

參數(shù)說(shuō)明：

• ptr：指向之前已分配內(nèi)存塊的指針。如果ptr為NULL，則realloc的行為就相當(dāng)于malloc，即分配一個(gè)新的內(nèi)存塊。
• size：新的內(nèi)存塊大小，以字節(jié)為單位。

realloc的工作原理如下：

1. 如果ptr為NULL，那么realloc的行為就等同于malloc(size)，它將分配一個(gè)新的大小為size字節(jié)的內(nèi)存塊，并返回指向該內(nèi)存塊的指針。
2. 如果size為0，且ptr不為NULL，那么realloc的行為就等同于free(ptr)，即釋放掉之前分配的內(nèi)存塊，并返回NULL指針。
3. 如果ptr不為NULL且size不為0，realloc將嘗試重新分配之前分配的內(nèi)存塊。可能發(fā)生以下幾種情況：
   • 如果之前分配的內(nèi)存塊大小大于或等于size，則不會(huì)分配新的內(nèi)存塊，而是簡(jiǎn)單地返回原始內(nèi)存塊的指針，不會(huì)改變?cè)瓋?nèi)存塊的內(nèi)容。
   • 如果之前分配的內(nèi)存塊大小小于size，realloc會(huì)嘗試將原始內(nèi)存塊擴(kuò)展到新的大小。這可能會(huì)**在原始內(nèi)存塊后面的可用內(nèi)存空間進(jìn)行擴(kuò)展，如果沒(méi)有足夠的連續(xù)空間來(lái)擴(kuò)展，則realloc可能會(huì)在另一個(gè)地方重新分配一個(gè)新的內(nèi)存塊，并將原始內(nèi)容復(fù)制到新的內(nèi)存塊中。**這意味著realloc有可能返回一個(gè)新的指針，而不是原始指針，所以在使用realloc后，最好將返回的指針賦值給原來(lái)的指針。
   • 如果realloc在新的內(nèi)存塊分配失敗時(shí)，將返回NULL，并且之前分配的內(nèi)存塊仍然保持未更改。

使用realloc時(shí)，應(yīng)該特別注意以下幾點(diǎn)：

• 如果realloc返回NULL，表示重新分配失敗，原來(lái)的指針仍然有效，為避免內(nèi)存泄漏，應(yīng)該保存原來(lái)的指針，并根據(jù)需要釋放之前的內(nèi)存塊。
• 當(dāng)使用realloc時(shí)，最好不要直接修改原始指針，而是將realloc的結(jié)果賦值給原始指針，以防止意外的內(nèi)存問(wèn)題。

實(shí)例：

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

    for (i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //增加空間
    // p = (int *)realloc(p, 80); //如果開(kāi)辟失敗的話，p變成了空指針，不能這么寫(xiě)
    int *ptr = (int *) realloc(p, 80);
    if (ptr != NULL) {
        p = ptr;
        ptr = NULL;
    }
    //當(dāng)realloc開(kāi)辟失敗的時(shí)候，返回的也是空指針
    //使用
    for (i = 10; i < 20; i++) {
        *(p + i) = i;
    }

    for (i = 10; i < 20; i++) {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    //釋放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

//輸出結(jié)果：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19

2.常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存錯(cuò)誤

2.1 對(duì)NULL指針的解引用操作

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int* p = (int*)malloc(20);
    *p = 5;  //錯(cuò)誤,空指針解引用
    //為了不對(duì)空指針解引用  需要進(jìn)行判斷
    if (p == NULL) {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    else {
        *p = 5;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

2.2 對(duì)動(dòng)態(tài)開(kāi)辟空間的越界訪問(wèn)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *p = (int *) malloc(20);
    if (p == NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 20; i++)//越界訪問(wèn)    20個(gè)字節(jié) 只能訪問(wèn)5個(gè)整型
    {
        *(p + i) = i;
    }

    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

2.3 對(duì)非動(dòng)態(tài)開(kāi)辟內(nèi)存使用free釋放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {

    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);// ok?

    return 0;
}

編譯器會(huì)直接報(bào)錯(cuò)

2.4 使用free釋放一塊動(dòng)態(tài)開(kāi)辟內(nèi)存的一部分

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int *p = (int *) malloc(40);
    if (p = NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        *p = i;
        p++;
    }
    //釋放
    //在釋放的時(shí)候，p指向的不再是動(dòng)態(tài)內(nèi)存空間的起始位置
    free(p);// p不再指向動(dòng)態(tài)內(nèi)存的起始位置
    p++;
    return 0;
}

2.5 對(duì)同一塊動(dòng)態(tài)內(nèi)存多次釋放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
        return 1;
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++) {
        *(p + i) = i;
    }
    //重復(fù)free
    free(p);
    p = NULL;//如果將p賦值為NULL  就可以在free，否則編譯器會(huì)直接報(bào)錯(cuò)
    free(p);

    return 0;
}

2.6 動(dòng)態(tài)開(kāi)辟內(nèi)存忘記釋放（內(nèi)存泄漏）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int *get_memory() {
    int *p = (int *) malloc(40);

    return p;
}

int main() {
    int *ptr = get_memory();
    //使用

    //釋放  如果不釋放 就會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏
    free(ptr);
    return 0;
}

3.C/C++程序的內(nèi)存開(kāi)辟

C/C++程序內(nèi)存分配的幾個(gè)區(qū)域：

1. 棧區(qū)（stack）：在執(zhí)行函數(shù)時(shí)，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲(chǔ)單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時(shí)這些存儲(chǔ)單元自動(dòng)被釋放。棧內(nèi)存分配運(yùn)算內(nèi)置于處理器的指令集中，效率很高，但是分配的內(nèi)存容量有限。 棧區(qū)主要存放運(yùn)行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回?cái)?shù)據(jù)、返回地址等。
2. 堆區(qū)（heap）：一般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收 。分配方式類(lèi)似于鏈表。
3. 數(shù)據(jù)段（靜態(tài)區(qū)）（static）存放全局變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)。程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。
4. 代碼段：存放函數(shù)體（類(lèi)成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進(jìn)制代碼。

普通的局部變量是在棧區(qū)分配空間的，棧區(qū)的特點(diǎn)是在上面創(chuàng)建的變量出了作用域就銷(xiāo)毀。 但是被static修飾的變量存放在數(shù)據(jù)段（靜態(tài)區(qū)），數(shù)據(jù)段的特點(diǎn)是在上面創(chuàng)建的變量，直到程序結(jié)束才銷(xiāo)毀，所以生命周期變長(zhǎng)。

4.經(jīng)典筆試題

4.1 題目1

#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;
}

請(qǐng)問(wèn)運(yùn)行Test 函數(shù)會(huì)有什么樣的結(jié)果？

運(yùn)行Test函數(shù)會(huì)導(dǎo)致未定義行為。

在GetMemory函數(shù)中，傳入的char *p是一個(gè)局部變量，當(dāng)在函數(shù)內(nèi)部對(duì)其進(jìn)行修改，并不會(huì)影響到原始調(diào)用函數(shù)中的指針。這是因?yàn)楹瘮?shù)的參數(shù)是通過(guò)值傳遞的，即函數(shù)得到的是實(shí)參的副本，對(duì)參數(shù)的修改不會(huì)影響原始的實(shí)參。

在Test函數(shù)中，將一個(gè)NULL指針str傳遞給GetMemory函數(shù)，然后在GetMemory函數(shù)中分配了內(nèi)存并將新的地址賦給p。但這對(duì)str并沒(méi)有影響，str仍然是一個(gè)NULL指針，指向未分配的內(nèi)存。

接著，在Test函數(shù)中使用strcpy將字符串拷貝到str指向的內(nèi)存，但是str指向的內(nèi)存并沒(méi)有被分配，這將導(dǎo)致未定義行為。

為了正確地分配內(nèi)存并使用指針，需要修改GetMemory函數(shù)，使其返回分配的內(nèi)存地址，并在Test函數(shù)中接收返回的指針。另外，別忘了在使用完內(nèi)存后，需要使用free函數(shù)來(lái)釋放動(dòng)態(tài)分配的內(nèi)存。

改寫(xiě)1：

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

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str);   //傳指針的地址
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //釋放
    free(str);
    str = NULL;
}

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

改寫(xiě)2：

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

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();   //接受返回的p
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //釋放
    free(str);
    str = NULL;
}

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

4.2 題目2

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

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);
}

請(qǐng)問(wèn)運(yùn)行Test函數(shù)會(huì)有什么樣的結(jié)果？

在GetMemory函數(shù)中，定義了一個(gè)局部數(shù)組char p[] = "hello world";，然后將該數(shù)組的地址返回給調(diào)用者。但是，一旦GetMemory函數(shù)執(zhí)行完畢，其局部變量（p數(shù)組）將被銷(xiāo)毀，因?yàn)樗且粋€(gè)自動(dòng)存儲(chǔ)類(lèi)別的局部變量。所以，返回的指針指向的是已經(jīng)無(wú)效的內(nèi)存。

在Test函數(shù)中，你將GetMemory的返回值賦給指針str，然后使用printf打印str指向的內(nèi)容。由于GetMemory返回的是一個(gè)無(wú)效的指針（指向已經(jīng)被銷(xiāo)毀的局部數(shù)組），printf可能會(huì)打印出垃圾值，或者程序崩潰，或者導(dǎo)致其他不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

這個(gè)問(wèn)題被稱(chēng)為"懸掛指針"問(wèn)題，因?yàn)橹羔槕覓煸谥赶蛞呀?jīng)無(wú)效的內(nèi)存位置上。

要解決這個(gè)問(wèn)題，可以考慮使用動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配來(lái)分配存儲(chǔ)字符串的內(nèi)存，并在使用完后記得使用free來(lái)釋放內(nèi)存。

修改后的代碼示例：

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

char *GetMemory(void) {
    char *p = (char *)malloc(strlen("hello world") + 1);
    if (p != NULL) {
        strcpy(p, "hello world");
    }
    return p;
}

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    if (str != NULL) {
        printf("%s\n", str);
        free(str); // 釋放內(nèi)存
    }
}

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

4.3 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);
}

請(qǐng)問(wèn)運(yùn)行Test函數(shù)會(huì)有什么樣的結(jié)果？

沒(méi)有釋放內(nèi)存，導(dǎo)致內(nèi)存泄漏

修改后的代碼實(shí)例：

void GetMemory(char **p, int num) {
    *p = (char *)malloc(num);
}

void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    if (str != NULL) {
        strcpy(str, "hello");
        printf("%s\n", str);
        free(str); // 釋放內(nèi)存
    }
}

4.4 題目4

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

請(qǐng)問(wèn)運(yùn)行Test 函數(shù)會(huì)有什么樣的結(jié)果？

str被提前釋放，再次訪問(wèn)str會(huì)導(dǎo)致野指針行為文章來(lái)源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-613272.html

到了這里，關(guān)于＜C語(yǔ)言＞ 動(dòng)態(tài)內(nèi)存管理的文章就介紹完了。如果您還想了解更多內(nèi)容，請(qǐng)?jiān)谟疑辖撬阉鱐OY模板網(wǎng)以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章，希望大家以后多多支持TOY模板網(wǎng)！