C语言进阶——动态内存管理

作者：敲代码の流川枫

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1. 为什么存在动态内存

我们经常用到的开辟内存方式有：

int a = 40;
int arr[40] = {0}; 

上述开辟内存方式的特点：

1.开辟空间的大小是固定的

2.数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配

有时候我们需要的空间大小是在程序运行时才能知道，上述方式满足不了要求，所以出现了动态内存的开辟

2. 分配动态内存函数的介绍

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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    int arr[10] = { 0 };
    //动态内存开辟
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        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));
    }
    printf("\n");
    return 0;
}

这里没有free，当程序退出的时候， 系统会回收该空间

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

malloc和free都声明在stdlib.h头文件中

int main()
{
    int arr[10] = { 0 };
    //动态内存开辟
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        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));
    }
    
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

不用free函数释放空间会出现内存泄漏，free回收完系统空间时，p还是指向那块吧被释放的空间，为了避免出现野指针的问题，一定要将它置为空指针

2.3 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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    int arr[10] = { 0 };
    //动态内存开辟
    int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //使用
    /*int i = 0;
    for (i=0;i<10;i++)
    {
        *(p + i) = i;
    }*/
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
    printf("%d ", *(p + i));
    }
    printf("\n");
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

所以如何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

2.4 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

realloc在调整内存空间的是存在两种情况：

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，旧的地址和数据都会被自动释放

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

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    int arr[10] = { 0 };
    //动态内存开辟
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    //使用
    int i = 0;
    for (i=0;i<10;i++)
    {
        *(p + i) = i+1;
    }
    //扩容
    //追加40个字节
    int *ptr = (int* )realloc(p, 80);
    if (ptr != NULL)
    {
        p = ptr;
    }
    //使用
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }
    printf("\n");
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

**注意：开辟多了会出现内存碎片，导致内存利用率下降，程序的效率也会下降 **

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    *p = 20;
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

要判断是否为空指针，如果是空指针就是开辟内存失败，出现对空指针的解引用

3.2 对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s", strerror(errno));
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        p[i] = i;
    }
    
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

当i是10的时候越界访问

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);
    p = NULL;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

free函数只能对在堆上开辟的动态内存进行释放

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        printf("%s", strerror(errno));
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

程序运行起来，p已经不指向最开始的地址，因此最后释放，也不会将动态开辟的内存全部释放

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    free(p);
    //.....
    free(p);
    return 0;
}

重复释放并且没有将p置为空指针，会报错

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    //....
    int a = 0;
    scanf("%d", &a);
    //...
    if (a == 10)
        return;
    free(p);
    p == NULL;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

当满足a==10，free是没有机会被执行的，并且函数结束就找不到该空间的地址了，也不会释放，内存出现泄漏

注意：忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

4. 几个经典的笔试题

运行Test 函数会有什么样的结果

笔试题1

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

解析：

笔试题2

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

解析：

笔试题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);
}

分析：

笔试题4

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

分析：

5. C/C++程序的内存开辟

6. 动态通讯录

动态通讯录：默认存放三个人的信息，不够则扩容，每次增加两个人的空间，在静态通讯录的基础上修改即可

参看静态通讯录

#pragma once
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<assert.h>
#include<stdlib.h>
#define MAX 100
#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX  10
#define MAX_TELE 12
#define MAX_ADDR 30
#define DEFAULT_Sz 3
#define INC_SZ 2
//类型的声明
// 
//只是一个人的信息
typedef struct PeoInfo
{
    char name[MAX_NAME];
    int age;
    char sex[MAX_SEX];
    char tele[MAX_TELE];
    char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;
//静态版本
通讯录(多个人的信息)
//typedef struct Contact
//{
//    PeoInfo data[100];//存放人的信息
//    int count;//记录当前通讯录有多少人的信息
//}Contact;
// 
// 
//动态版本
typedef struct Contact
{
    PeoInfo* data;//存放人的信息
    int count;//记录当前通讯录有多少人的信息
    int capacity;//记录当前通讯录容量
}Contact;
//初始化通讯录函数
int InitContact(Contact *pc);
//增加联系人到通讯录
void addContact(Contact* pc);
//打印通讯录信息
void showContact(const Contact* pc);
//删除指定联系人
void delContact(Contact* pc);
//查找指定联系人
void SearchContact(Contact* pc);
//修改指定联系人
 void modifyContact(Contact* pc);
 //按照名字排序通讯录内容
 void sortContact(Contact* pc);
 //销毁通讯录
 void DestroyContact(Contact* pc);
//动态版本
int InitContact(Contact* pc)
{
    pc->count = 0;
    pc->data = (PeoInfo*)calloc(DEFAULT_Sz,sizeof(PeoInfo));
    if (pc->data == NULL)
    {
        printf("InitContact:%s\n", strerror(errno));
        return 1;
    }
    pc->capacity = DEFAULT_Sz;
    return 0;
}

实现增容功能：

//增容函数
void CheckCapacity(Contact* pc)
{
    if (pc->count == pc->capacity)
    {
        PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
        if (ptr == NULL)
        {
            printf("addContact:%s\n", strerror(errno));
        }
        else
        {
            pc->data = ptr;
            pc->capacity += INC_SZ;
            printf("增容成功\n");
        }
    }
}
//动态版本
void addContact(Contact* pc)
{
    assert(pc);
    //增容
    CheckCapacity(pc);
    
    //添加信息
    printf("\n请输入名字:>");
    //每次放进去的信息都是放进data 下标为count的数组
    scanf("%s", pc->data[pc->count].name);
    printf("\n请输入年龄:>");
    //因为name是存放在数组中，数组名本身就是地址，不需要再取地址
    //这里的年龄是int 型变量，需要取地址
    scanf("%d", &(pc->data[pc->count].age));
    printf("\n请输入性别:>");
    scanf("%s", pc->data[pc->count].sex);
    printf("\n请输入电话:>");
    scanf("%s", pc->data[pc->count].tele);
    printf("\n请输入地址:>");
    scanf("%s", pc->data[pc->count].addr);
    pc->count++;
    printf("\n增加成功\n");
}

free增容所开辟的空间：

//销毁通讯录
void DestroyContact(Contact* pc)
{
    assert(pc);
    free(pc->data);
    pc->data = NULL;
}

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