#C语言——学习攻略：攻克 动态内存分配、柔性数组，根本不在话下！

菜鸟主页晨非辰的主页学习专栏《C语言学习》学习阶段C语言方向初学者⏳名言欣赏“人理解迭代神理解递归。”目录1. 动态内存分配的作用2. malloc 和 free 函数2.1 malloc 函数2.2 free 函数2.3 malloc 和 free 函数的应用3. calloc 和 realloc3.1 calloc 函数3.2 realloc 函数4. 常见的的动态内存错误4.1 对NULL指针的解引用4.2 对动态开辟空间的越界访问4.3 对非动态开辟的内存进行free释放4.4 free函数释放动态内存的一部分4.5 对同一块内存的重复释放4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏但程序仍会运行)5. 动态内存经典笔试题分析5.1 试题15.2 试题25.3 试题35.4 试题46. 柔性数组6.1 柔性数组特点6.2 使用柔性数组使用动态内存函数6.3 柔性数组的优势7. 总结C/C中程序内存区域划分1. 动态内存分配的作用--已经掌握的内存开辟方式int a 20;//在栈空间中开辟4个字节 char arr[10] { 0 };//在占空间开辟10个字节--上述方式特点开辟空间的大小是固定的数组在声明需指定数组长度空间大小无法再修改--有时空间大小只能在程序运行时确定所以以上方式不适合——引进了动态内存开辟允许自己申请和释放空间。2. malloc 和 free 函数2.1 malloc 函数--介绍提供的动态内存开辟函数void* malloc(size_t size);--介绍--包含 stdlib.h头文件功能向内存在堆区申请一块连续的空间参数size 要申请空间的大小例如要输入n个 int 型数据大小为 n * sizeof(int) ;返回值指向开辟好空间的指针地址起始位置--注意--开辟成功返回指向开辟好空间的指针--开辟失败返回 NULL指针一定要检查mallco的返回值--返回类型void* 具体类型看需要--size函数若为0行为是未定义的。2.2 free 函数--专门用来释放动态内存。void free(void* ptr);--介绍--包含 stdlib.h头文件功能函数用于释放之前通过 malloc() 等函数动态分配的内存参数ptr是一个指向先前分配的内存块的指针指针必须是通过 malloc()等 返回的指针值起始位置返回值void没有返回值。--注意--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--若参数 ptr 是NULL指针函数无事干--每一个malloc()等开辟内存函数的调用必须最终对应一个free()的调用--禁止重复释放建议释放后立即置空。2.3 malloc 和 free 函数的应用#includestdlib.h int main() { int n 0; printf(输入申请个数); //输入个数 scanf(%d, n); //申请空间存放数据 int* ptr (int*)malloc(n * sizeof(int)); if (ptr NULL)//判断非空 { perror(malloc); return 1; } //使用申请的内存空间 for (int i 0;i n;i) { ptr[i] i 1; printf(%d , ptr[i]); } free(ptr);//用完就释放 ptr NULL;//释放就置空 return 0; }--补充--对于使用malloc函数时要输入 int 型数据就用int型指针变量接收因函数返回类型为void*需要强转为 int*来使用。3. calloc 和 realloc3.1 calloc 函数void* calloc(size_t num, size_t size);--介绍--包含头文件 stdlib.h ;功能在内存的堆区动态地分配一块连续的内存空间并将所有字节初始化为零参数num --需要分配的元素个数、size --每个元素的大小以字节为单位返回值分配成功返回指向这块内存起始地址的void*指针分配失败如内存不足则返回NULL。--注意--检查返回值和malloc()一样检查calloc()的返回值是否为NILL-- 与malloc()的核心区别calloc()会进行初始化而malloc()不会--需要类型转换。--演示 malloc 与 calloc函数的区别int main() { int n 0; printf(输入申请个数); //输入个数 scanf(%d, n); //申请空间存放数据 int* p (int*)calloc(n, sizeof(int)); if (p NULL)//判断是否为空 { perror(malloc); return 1; } //使用内存空间看是否初始化为0 for (int i 0;i n;i) { printf(%d , p[i]); } free(p);//用完就释放 p NULL;//释放就置空 return 0; } 输入申请个数10 输出0 0 0 0 0 0 0 0 0 0--上面可知calloc函数“先置零再使用”不信任未初始化的内存主动为自己创造一个安全可控的环境后再开始工作。优势所在3.2 realloc 函数void* realloc(void* ptr, size_t size);--介绍调整原内存空间大小基础上会将原内存中数据移到新空间。功能用于重新分配之前通过malloc(),calloc(), 或realloc()分配的内存块的大小 -- 扩大或缩小参数ptr--指向先前分配的内存块的指针。如果ptr是NULL则realloc()的行为等同于malloc(new_size)开辟空间size --这是新的内存块大小以字节为单位。如果size为0并且ptr不为NULL那么realloc的行为就等同于free(ptr)并且返回 NULL返回值函数返回一个指向新分配内存的指针。这个指针可能与ptr相同也可能不同。如果分配失败则返回NULL并且原来的内存块不会被释放或修改。--注意--不要直接将返回值赋给原指针因为若返回NULL就会覆盖原地址导致旧数据丢失--使用临时指针在赋值--realloc函数调整内存空间的情况情况1--原有空间后有足够大的空间进行调整直接进行操作保留原数据情况2--原有空间后没有足够大的空间进行调整在堆空间寻找合适大小的连续空间并且返回新地址--代码图示int main() { //申请一块连续空间存放数据 int* p (int*)malloc(5 * sizeof(int));// //判断是否为空 if (p NULL) { perror(malloc); return 1;//错误结束 } //使用空间 //先存放1~5 for (int i 0; i 5; i) { p[i] i 1; } //扩大空间继续存放6~10 int* p2 (int*)realloc(p, 10*sizeof(int)); if (p2 NULL) { perror(realloc); return 1; } p p2;//仍然使用p指向空间地址 //存放 for (int i 5; i 10; i) { p[i] i 1; } //打印空间内的数据 for (int i 0; i 10; i) { printf(%d , p[i]); } free(p);//释放空间 p NULL;//置空防止指向无效地址成为野指针 return 0; }x64环境x86环境--注意在调试时vs2022现将p的地址显出来后在添加p2进行显示地址4. 常见的的动态内存错误4.1 对NULL指针的解引用int main() { int* p (int*)malloc(INT_MAX / 4); /*if (p NULL) { return 1; }*/ //如果p的值是NULL就会有问题 for (int i 0; i 10; i) { p[i] i 1; } free(p); p NULL; return 0; }--注意一定要判断内存开辟函数的返回值4.2 对动态开辟空间的越界访问int main() { //申请空间 int* p (int*)malloc(5 * sizeof(int)); //判断返回值 if (p NULL) { perror(malloc); return 1; } //使用空间 for (int i 0; i 10; i) { p[i] i 1;//注意i值i 5超过了动态内存空间大小越界 printf(%d , p[i]); } //释放、置空 free(p); p NULL; return 0; }--虽然最后打印出1~10侥幸成功但是这样是错误的4.3 对非动态开辟的内存进行free释放int main() { int arr[10] { 0 }; 数组 栈区的空间 非动态 int* p arr; //..... //使用p //..... free(p); 释放动态空间 堆区 p NULL; return 0; }--free函数用于释放之前通过 malloc() 等函数动态分配的内存对于栈区的内存会自动销毁4.4 free函数释放动态内存的一部分int main() { //申请一块空间 int* p (int*)malloc(5 * sizeof(int)); if (p NULL)//判断 { perror(malloc); return 1; } //使用空间 for (int i 0;i 5;i) { *p 1 i; p; } //循环结束p指向了5以后的空间 //free释放空间一定要给空间的起始位置 free(p); p NULL; return 0; }--free函数参数指针必须是通过 malloc()等 返回的指针值地址起始位置对于数据存放用 - - p[ i ] i 1、*(pi) i1使用不要使用p......4.5 对同一块内存的重复释放int main() { int* p (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (p NULL) { perror(malloc); return 1; } //使用内存空间 //………… free(p); //………… free(p); p NULL; return 0; }4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏但程序仍会运行)void test() { int* p (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (p NULL) { perror(malloc); return 1; } //最后没有释放 } int main() { test(); //test() 函数结束时栈帧被回收p不存在丢失内存的地址内存空间仍然存在 //………… //………… return 0; }--忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏--注意动态开辟的空间⼀定要释放并正确释放。谁申请的空间谁释放不使用的空间及时释放自家(函数1)不方便释放的空间要告诉别人(函数2)释放--在绝大多数情况下即使忘记 free 当程序正常结束时操作系统会自动回收动态分配的所有内存。5. 动态内存经典笔试题分析5.1 试题1//错误示例 #includestdio.h #includestdlib.h #includestring.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; }--问题首先一个很显然的问题函数调用 malloc函数后没有对空间进行 free 释放后续也无法释放导致空间泄露程序崩溃--主函数调用函数将str传给函数但是二者之间是传值调用实参、形参是两个独立个体函数对形参进行操作对实参没有任何改变。后续将str置空由于strcpy函数无法对空指针进行操作无效地址错误进行。--修改//修改1 #includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h void GetMemory(char** p) { *p (char*)malloc(100); } void Test(void) { char* str NULL; GetMemory(str);//进行传址调用 strcpy(str, hello world); printf(str); free(str);//释放 } int main() { Test(); return 0; }//修改2 #includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h char* GetMemory(char* p)//返回类型根据返回值进行修改 { p (char*)malloc(100); return p;//复制一份出来 } void Test(void) { char* str NULL; str GetMemory(str);//变量进行接收 strcpy(str, hello world); printf(str); free(str);//释放 } int main() { Test(); return 0; }5.2 试题2//错误示例 #includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h char* GetMemory(void) { char p[] hello world; return p; } void Test(void) { char* str NULL; str GetMemory(); printf(str); } int main() { Test(); return 0; }--修改#includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h char* GetMemory(void) { static char p[] hello world;//变为静态变量改变生命周期 return p; } void Test(void) { char* str NULL; str GetMemory(); printf(str); } int main() { Test(); return 0; }--可能注意到为什么 试题1_修改2 就是retuen形参可以呢--因为malloc开辟的动态内存只能被手动释放函数返回时不会被销毁而本题数组存在栈区返回时销毁且涉及到地址函数最会返回的是数组首地址但是原空间不存在所以错误。5.3 试题3//错误示例 #includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h void GetMemory(char** p, int num) { *p (char*)malloc(num); } void Test(void) { char* str NULL; GetMemory(str, 100); strcpy(str, hello); printf(str); } int main() { Test(); return 0; }--修改#includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h 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);//用完就释放 str NULL;//释放就置空 } int main() { Test(); return 0; }5.4 试题4#includestdio.h #includestdlib.h #includestring.h void Test(void) { char* str (char*)malloc(100); strcpy(str, hello); free(str); if (str ! NULL) { strcpy(str, world); printf(str); } } int main() { Test(); return 0; }--修改void Test(void) { char* str (char*)malloc(100); strcpy(str, hello); free(str); str NULL;//及时置空防止成为野指针致非法访问 //或者最后在进行释放、置空 if (str ! NULL) { strcpy(str, world); printf(str); } } int main() { Test(); return 0; }6. 柔性数组--柔性数组C99中结构体中最后一个成员可以是未知大小的数组称为柔性数组成员可以自由调整大小。struct st_type { int i; int a[];//柔性数组成员--[]中填0看编译器选择 };6.1 柔性数组特点结构体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含柔性数组成员的结构体用malloc ()函数进行内存动态分配--因为之前的方法无法给柔性数组分配空间且分配的内存应该大于结构体大小以满足柔性数组预期大小。int main() { struct s { int i;//4 int a[];//... }; printf(%zu\n, sizeof(struct s)); return 0; } 输出4 //不包含柔性数组大小--验证了第三条特点。6.2 使用柔性数组使用动态内存函数#include stdlib.h struct s { int n; int arr[]; }; int main() { struct s* ps (struct s*)malloc(sizeof(struct s) 10 * sizeof(int)); //计算结构体大小-n的大小,后面10*sizeof(int)是为柔性数组申请的空间 if (ps NULL) { perror(malloc); return 1; } //直接使用空间 ps-n 100; int i 0; for (i 0; i 10; i) { ps -arr[i] i 1; } //空间不够用调整 struct s* tmp (struct s*)realloc(ps, sizeof(struct s) 20 * sizeof(int)); if (tmp NULL) { perror(realloc); return 1; } ps tmp; //继续使用空间 //... //释放 free(ps); ps NULL; return 0; }6.3 柔性数组的优势struct s { int n; int* arr; }; int main() { struct s* ps (struct s*)malloc(sizeof(struct s)); if (ps NULL) { perror(malloc); return 1; } ps-n 100; int* ptr (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (ps NULL) { perror(malloc2); return 1; } ps-arr ptr; //存放1~10 int i 0; for (i 0;i 10;i) { ps-arr[i] i 1; } //调整空间 ptr realloc(ps-arr, 20 * sizeof(int)); if (ptr NULL) { perror(realloc); return 1; } ps-arr ptr; //继续使用空间 //………… //释放 free(ps-arr); free(ps); ps NULL; return 0;--对比上面代码同样可以完成任务但是使用柔性数组有两个好处方便内存释放如果代码是在⼀个给别⼈用的函数中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⼀次free就把所有的内存释放掉free次数越多发生错误的概率越大这样有利于访问速度连续的内存有益于提高i访问速度也有益于减少内存碎片但是提升也不会很大你还是要用做偏移量的加法来寻址。7. 总结C/C中程序内存区域划分--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操作系统 回收 分配方式类似于链表。存放通过 malloc() 等动态分配的内存数据段静态区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