动态内存管理 - 北京网站建设

⽬录

1. 为什么要有动态内存分配

2. malloc和free

3. calloc和realloc

4. 常⻅的动态内存的错误

5. 动态内存经典笔试题分析

6. 柔性数组

7. 总结C/C++中程序内存区域划分

正⽂开始

1. 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。

2. malloc和free

2.1 malloc

C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数：

1 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

2.2 free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔是⽤来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：

1 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。

举个例⼦：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int num = 0;scanf("%d", &num);int arr[num] = {0};int* ptr = NULL;ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空{int i = 0;for(i=0; i<num; i++){*(ptr+i) = 0；}}free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存ptr = NULL;//是否有必要？return 0;
}

注：最后必须要指向NULL ，否则会成为野指针。

3. 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：

1 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：

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

输出结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 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

使⽤内存，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：

1 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：原有空间之后有⾜够⼤的空间

◦ 情况2：原有空间之后没有⾜够⼤的空间

情况1

当是情况1 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。

情况2

当是情况2 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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使⽤就要注意⼀些。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int *ptr = (int*)malloc(100);if(ptr != NULL){//业务处理}else{return 1; }//扩展容量//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，在放ptr中int*p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if(p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;
}

4. 常⻅的动态内存的错误

4.1 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);}

4.2 对动态开辟空间的越界访问

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;//当i是10的时候越界访问}free(p);}

4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放

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

4.4 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}

4.5 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}

4.6 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;}}
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。

5. 动态内存经典笔试题分析

5.1 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： 1.对NULL指针解引用操作，程序会奔溃

2.内存泄漏

5.2 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？

答： 1.str为野指针打印为随机值。

5.3 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？

答： 1.内存泄漏，最后没有释放

5.4 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？

答： 1.把str指向的已经还给操作系统了，无法继续使用了，str已经为野指针了

2.下面的调用成了非法访问。

6. 柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。

C99 中，结构中的最后⼀个元素允许是未知⼤⼩的数组，这就叫做『柔性数组』成员。

例如：

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：

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

6.1 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4return 0;
}

6.2 柔性数组的使⽤

//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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;
}

这样柔性数组成员a，相当于获得了100个整型元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为下⾯的结构，也能完成同样的效果。

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{int i;int *p_a;
}type_a;
int main()
{type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));p->i = 100;p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));//业务处理for(i=0; i<100; i++){p->p_a[i] = i;}//释放空间free(p->p_a);p->p_a = NULL;free(p);p = NULL;return 0;
}

上述代码 1 和代码 2 可以完成同样的功能，但是⽅法 1 的实现有两个好处：

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

⽤⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你

不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次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。（其实，我个⼈觉得也没多⾼了，反正

你跑不了要⽤做偏移量的加法来寻址）