C语言动态内存管理malloc柔性数组示例详解

2022-11-13 19:11:17 示例数组柔性

1.C语言动态内存管理库函数介绍

?1.1为什么存在动态内存管理

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，它所需要的内存在编译时分配。

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。也就是说当我们在定义变量时并不知道会使用多少的内存，这时候就需要进行动态内存开辟！上述两种开辟内存方法一个在栈上开辟，一个在堆上开辟。在C语言<stdlib.h>或<malloc.h>内置的库中有能够进行动态内存开辟的库函数。

?1.2动态内存管理函数

?1.2.1malloc

//Allocates memory blocks.
void *malloc( size_t size );

参数size_t size表示需要开辟的内存的字节数。该函数会返回开辟好内存的首地址，如果开辟失败返回NULL。

比如使用malloc函数开辟拥有10个整型元素的数组，那需要开辟的字节数为40字节。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败！\n");
		exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

因为malloc函数的返回值类型为void*，所以需要将已经开辟好的内存的首地址强制转换成整型指针类型。

运行结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 22188)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

?1.2.2free

对于动态内存开辟的空间，开辟的地址是在堆上的，使用完了是需要返还给操作系统的，C语言中专门有一个回收动态开辟内存的函数——free。当然，程序结束时，会自动释放内存。

//Deallocates or frees a memory block.
void free( void *memblock );

参数void *memblock表示动态开辟内存的首地址，注意这个地址只能是动态开辟内存的首地址，其他的地址都不行！如果传入的地址为NULL，则这个函数什么都不会做。在上面所举例创建10个整型数组的程序中，就忽略了动态内存的释放，存在内存泄漏的风险。所以正确完整的程序应该为：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败！\n");
		exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还，再借不难
	arr = NULL;//好习惯：内存释放后，将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 23232)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

内存泄漏的危害： 如果动态内存已经使用完了，但不还给操作系统，也就是没有释放内存，就有可能造成内存泄漏的风险。对于其危害，举个栗子，如果在服务器上存在内存泄漏，则可能造成服务器崩溃。因为服务器是一直工作的，一旦存在内存泄漏，使用完的内存不还回去，久而久之，服务器内存被占用的越来越多，终有一天由于内存不足而造成服务器崩溃。

?1.2.3calloc

该函数功能与malloc非常相似，仅仅多了个初始化的功能，就是说在动态内存开辟时，自动将内存中的元素初始化为0。

//Allocates an array in memory with elements initialized to 0.
void *calloc( size_t num, size_t size );

参数size_t num表示元素个数，size_t size表示每个元素所占字节数大小。

int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败！\n");
		exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还，再借不难
	arr = NULL;//好习惯：内存释放后，将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果：

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 29776)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

?1.2.4realloc

该函数能够在保留原数据的情况下，对动态申请内存的大小进行调整，通常用来对数组或者链表等数据结构进行扩容。该函数在调整动态内存大小时有以下两个细节：

如果原申请内存地址后连续空间大于调整空间大小，则在原地址进行内存调整。
如果原申请内存地址后连续空间小于调整空间大小，则在其他内存足够地方进行调整，并将原数据拷贝到新内存和释放原来申请内存的空间。

如果调整失败，返回NULL，调整成功返回新申请内存的首地址。

//Reallocate memory blocks.
void *realloc( void *memblock, size_t size );

参数 void *memblock表示需要调整空间的首地址（必须为动态开辟的内存空间），参数size_t size表示调整后内存的字节数。

将动态申请的整型数组元素个数调整至20。

int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败！\n");
		exit(-1);//内存申请失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	//增加数组元素个数为20
	p = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存调整失败！\n");
		exit(-1);//内存调整失败，程序没有再进行的必要，直接强制结束程序
	}
	arr = p;
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还，再借不难
	arr = NULL;//好习惯：内存释放后，将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 7520)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

?1.3动态内存管理函数易错点

?1.3.1对NULL指针的解引用操作

错误示范：

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);
}

改正：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败！\n");
		exit(-1);//强制结束程序
	}
	*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
	free(p);
}

?1.3.2对动态开辟空间的越界访问

错误示范：

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);
}

改正：

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);
}

?1.3.3对非动态开辟内存使用free释放

错误示范：

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的，程序会崩溃
}

改正：

void test()
{
	int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (a == NULL)
	{
		exit(-1);//强制结束程序
	}
	*a = 10;
	int* p = a;
	free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的，程序会崩溃
	p = NULL;
	a = NULL;
}

?1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

错误示范：

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

改正：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置，程序崩溃
	p = NULL;
}

?1.3.5对同一块动态内存多次释放

错误示范：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放，程序崩溃
}

改正：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
}

?1.3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

错误示范：

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);//内存忘记示范，内存泄漏，程序崩溃
}

改正：

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

?2.C语言动态内存管理库函数应用

?2.1常见相关笔试题

//1.Test运行结果是什么？
void GetMemory(char* p) {
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
//2.Test运行结果是什么？
char* GetMemory(void) {
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
//3.Test运行结果是什么？
void GetMemory(char** p, int num) {
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
//4.Test运行结果是什么？
void Test(void) {
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

题1：函数GetMemory的形参为char* p，p为该函数的局部变量，作用域在函数内部，出了函数该变量就被销毁了，并且没有对申请好的内存进行释放。所以参数str传入函数GetMemory后，其值不会改变，仍为NULL，空地址是不能被用户访问修改的，因此程序崩溃。

题2：p为GetMemory函数内部的局部变量，该函数运行完后，其栈帧被销毁，在函数外得到返回的地址并访问属于非法访问，打印该地址的字符串，如果该空间没有被覆盖，能够打印hello world，否则打印随机值。调用printf函数是有可能覆盖该地址的，所以极大概率打印的是随机值。

运行结果：

烫烫烫烫烫烫烫烫8
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 23592)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

题3：该程序虽然会输出hello，但是是存在内存泄漏的，因为最后并没有释放申请的内存。

hello
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 20096)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

应该改为：

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;
}

题4：输出world，将一个动态申请的空间释放，传入的指针变量是不会置空的，会成为一个野指针，所以我们要养成一个好习惯：释放一个空间，应将其传入的指针置空！

world
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 13356)已退出，代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

?2.2C/c++语言中的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

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。
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。
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。
代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁所以生命周期变长。

?2.3柔性数组

?2.3.1柔性数组特点与使用

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。

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

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

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。

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4
	return 0;
}

柔性数组的使用：

int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	//业务需求代码段
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++) {
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

?2.3.2柔性数组的优点

不使用柔性数组也是可以实现同样的需求的：

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));
	//业务需求代码段
	int i = 0;
	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;
}

但是使用柔性数组的优势是其空间使用是连续的，而不使用柔性数组，其空间使用相比于柔性数组是散落的。

柔性数组的优点：

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户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。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，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次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。（提升不是特别明显）

以上就是C语言动态内存管理malloc柔性数组示例详解的详细内容，更多关于C语言动态内存malloc柔性数组的资料请关注其它相关文章！

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C语言动态内存管理malloc柔性数组示例详解

目录

1.C语言动态内存管理库函数介绍

?1.1为什么存在动态内存管理

?1.2动态内存管理函数

?1.2.1malloc

?1.2.2free

?1.2.3calloc

?1.2.4realloc

?1.3动态内存管理函数易错点

?1.3.1对NULL指针的解引用操作

?1.3.2对动态开辟空间的越界访问

?1.3.3对非动态开辟内存使用free释放

?1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

?1.3.5对同一块动态内存多次释放

?1.3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

?2.C语言动态内存管理库函数应用

?2.1常见相关笔试题

?2.2C/c++语言中的内存开辟

?2.3柔性数组

?2.3.1柔性数组特点与使用

?2.3.2柔性数组的优点