C語言動態(tài)內(nèi)存管理malloc柔性數(shù)組示例詳解
大家好！在實現(xiàn)動態(tài)通訊錄的時候，我用到了malloc 和realloc動態(tài)申請內(nèi)存，現(xiàn)在我們就來好好聊一聊動態(tài)內(nèi)存管理。
1.C語言動態(tài)內(nèi)存管理庫函數(shù)介紹
??1.1為什么存在動態(tài)內(nèi)存管理
我們已經(jīng)掌握的內(nèi)存開辟方式有：
int val = 20;//在?？臻g上開辟四個字節(jié)
char arr[10] = {0};//在?？臻g上開辟10個字節(jié)的連續(xù)空間
但是上述的開辟空間的方式有兩個特點：
- 空間開辟大小是固定的。
- 數(shù)組在申明的時候，必須指定數(shù)組的長度，它所需要的內(nèi)存在編譯時分配。
但是對于空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時候我們需要的空間大小在程序運行的時候才能知道，那數(shù)組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。也就是說當我們在定義變量時并不知道會使用多少的內(nèi)存，這時候就需要進行動態(tài)內(nèi)存開辟！ 上述兩種開辟內(nèi)存方法一個在棧上開辟，一個在堆上開辟。 在C語言<stdlib.h>或<malloc.h>內(nèi)置的庫中有能夠進行動態(tài)內(nèi)存開辟的庫函數(shù)。
??1.2動態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)
??1.2.1malloc
//Allocates memory blocks. void *malloc( size_t size );
參數(shù)size_t size表示需要開辟的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。該函數(shù)會返回開辟好內(nèi)存的首地址，如果開辟失敗返回NULL。
比如使用malloc函數(shù)開辟擁有10個整型元素的數(shù)組，那需要開辟的字節(jié)數(shù)為40字節(jié)。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組
int* arr = NULL;
int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//為數(shù)組開辟內(nèi)存
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存申請失敗！\n");
exit(-1);//內(nèi)存申請失敗，程序沒有再進行的必要，直接強制結(jié)束程序
}
arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組
p = NULL;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
arr[i] = i + 1;
printf("%d ", arr[i]);
}
return 0;
}
因為malloc函數(shù)的返回值類型為void*，所以需要將已經(jīng)開辟好的內(nèi)存的首地址強制轉(zhuǎn)換成整型指針類型。
運行結(jié)果：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 22188)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.2.2free
對于動態(tài)內(nèi)存開辟的空間，開辟的地址是在堆上的，使用完了是需要返還給操作系統(tǒng)的，C語言中專門有一個回收動態(tài)開辟內(nèi)存的函數(shù)——free。當然，程序結(jié)束時，會自動釋放內(nèi)存。
//Deallocates or frees a memory block. void free( void *memblock );
參數(shù)void *memblock表示動態(tài)開辟內(nèi)存的首地址，注意這個地址只能是動態(tài)開辟內(nèi)存的首地址，其他的地址都不行！如果傳入的地址為NULL，則這個函數(shù)什么都不會做。 在上面所舉例創(chuàng)建10個整型數(shù)組的程序中，就忽略了動態(tài)內(nèi)存的釋放，存在內(nèi)存泄漏的風(fēng)險。所以正確完整的程序應(yīng)該為：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
//使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組
int* arr = NULL;
int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//為數(shù)組開辟內(nèi)存
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存申請失??！\n");
exit(-1);//內(nèi)存申請失敗，程序沒有再進行的必要，直接強制結(jié)束程序
}
arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組
p = NULL;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
arr[i] = i + 1;
printf("%d ", arr[i]);
}
free(arr);//有借有還，再借不難
arr = NULL;//好習(xí)慣：內(nèi)存釋放后，將指針變量置空
return 0;
}
運行結(jié)果：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 23232)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
內(nèi)存泄漏的危害： 如果動態(tài)內(nèi)存已經(jīng)使用完了，但不還給操作系統(tǒng)，也就是沒有釋放內(nèi)存，就有可能造成內(nèi)存泄漏的風(fēng)險。對于其危害，舉個栗子，如果在服務(wù)器上存在內(nèi)存泄漏，則可能造成服務(wù)器崩潰。因為服務(wù)器是一直工作的，一旦存在內(nèi)存泄漏，使用完的內(nèi)存不還回去，久而久之，服務(wù)器內(nèi)存被占用的越來越多，終有一天由于內(nèi)存不足而造成服務(wù)器崩潰。
??1.2.3calloc
該函數(shù)功能與malloc非常相似，僅僅多了個初始化的功能，就是說在動態(tài)內(nèi)存開辟時，自動將內(nèi)存中的元素初始化為0。
//Allocates an array in memory with elements initialized to 0. void *calloc( size_t num, size_t size );
參數(shù)size_t num表示元素個數(shù)，size_t size表示每個元素所占字節(jié)數(shù)大小。
int main()
{
//使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組
int* arr = NULL;
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//為數(shù)組開辟內(nèi)存
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存申請失?。n");
exit(-1);//內(nèi)存申請失敗，程序沒有再進行的必要，直接強制結(jié)束程序
}
arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組
p = NULL;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", arr[i]);
}
free(arr);//有借有還，再借不難
arr = NULL;//好習(xí)慣：內(nèi)存釋放后，將指針變量置空
return 0;
}
運行結(jié)果：
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 29776)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.2.4realloc
該函數(shù)能夠在保留原數(shù)據(jù)的情況下，對動態(tài)申請內(nèi)存的大小進行調(diào)整，通常用來對數(shù)組或者鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行擴容。該函數(shù)在調(diào)整動態(tài)內(nèi)存大小時有以下兩個細節(jié)：
- 如果原申請內(nèi)存地址后連續(xù)空間大于調(diào)整空間大小，則在原地址進行內(nèi)存調(diào)整。
- 如果原申請內(nèi)存地址后連續(xù)空間小于調(diào)整空間大小，則在其他內(nèi)存足夠地方進行調(diào)整，并將原數(shù)據(jù)拷貝到新內(nèi)存和釋放原來申請內(nèi)存的空間。
如果調(diào)整失敗，返回NULL，調(diào)整成功返回新申請內(nèi)存的首地址。
//Reallocate memory blocks. void *realloc( void *memblock, size_t size );
參數(shù) void *memblock表示需要調(diào)整空間的首地址（必須為動態(tài)開辟的內(nèi)存空間），參數(shù)size_t size表示調(diào)整后內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。
將動態(tài)申請的整型數(shù)組元素個數(shù)調(diào)整至20。
int main()
{
//使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組
int* arr = NULL;
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//為數(shù)組開辟內(nèi)存
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存申請失??！\n");
exit(-1);//內(nèi)存申請失敗，程序沒有再進行的必要，直接強制結(jié)束程序
}
arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組
p = NULL;
//增加數(shù)組元素個數(shù)為20
p = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 20);
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存調(diào)整失??！\n");
exit(-1);//內(nèi)存調(diào)整失敗，程序沒有再進行的必要，直接強制結(jié)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);//有借有還，再借不難
arr = NULL;//好習(xí)慣：內(nèi)存釋放后，將指針變量置空
return 0;
}
運行結(jié)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 (進程 7520)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.3動態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)易錯點
??1.3.1對NULL指針的解引用操作
錯誤示范：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就會有問題
free(p);
}
改正：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
if (p == NULL)
{
printf("內(nèi)存申請失??！\n");
exit(-1);//強制結(jié)束程序
}
*p = 20;//如果p的值是NULL，就會有問題
free(p);
}
??1.3.2對動態(tài)開辟空間的越界訪問
錯誤示范：
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;//當i是10的時候越界訪問
}
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;//當i是10的時候越界訪問
}
free(p);
}
??1.3.3對非動態(tài)開辟內(nèi)存使用free釋放
錯誤示范：
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);//對非動態(tài)開辟的內(nèi)存釋放是錯誤的，程序會崩潰
}
改正：
void test()
{
int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
if (a == NULL)
{
exit(-1);//強制結(jié)束程序
}
*a = 10;
int* p = a;
free(p);//對非動態(tài)開辟的內(nèi)存釋放是錯誤的，程序會崩潰
p = NULL;
a = NULL;
}
??1.3.4使用free釋放一塊動態(tài)開辟內(nèi)存的一部分
錯誤示范：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向動態(tài)內(nèi)存的起始位置，程序崩潰
}
改正：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);//p不再指向動態(tài)內(nèi)存的起始位置，程序崩潰
p = NULL;
}
??1.3.5對同一塊動態(tài)內(nèi)存多次釋放
錯誤示范：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
free(p);//重復(fù)釋放，程序崩潰
}
改正：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
free(p);
}
??1.3.6動態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放（內(nèi)存泄漏）
錯誤示范：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
while (1);//內(nèi)存忘記示范，內(nèi)存泄漏，程序崩潰
}
改正：
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (NULL != p)
{
*p = 20;
}
free(p);
p = NULL;//好習(xí)慣
}
int main()
{
test();
while (1);
}
??2.C語言動態(tài)內(nèi)存管理庫函數(shù)應(yīng)用
??2.1常見相關(guān)筆試題
//1.Test運行結(jié)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運行結(jié)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運行結(jié)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運行結(jié)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);
}
}
題1：函數(shù)GetMemory的形參為char* p，p為該函數(shù)的局部變量，作用域在函數(shù)內(nèi)部，出了函數(shù)該變量就被銷毀了，并且沒有對申請好的內(nèi)存進行釋放。所以參數(shù)str傳入函數(shù)GetMemory后，其值不會改變，仍為NULL，空地址是不能被用戶訪問修改的，因此程序崩潰。
題2：p為GetMemory函數(shù)內(nèi)部的局部變量，該函數(shù)運行完后，其棧幀被銷毀，在函數(shù)外得到返回的地址并訪問屬于非法訪問，打印該地址的字符串，如果該空間沒有被覆蓋，能夠打印hello world，否則打印隨機值。調(diào)用printf函數(shù)是有可能覆蓋該地址的，所以極大概率打印的是隨機值。
運行結(jié)果：
燙燙燙燙燙燙燙燙8
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 23592)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
題3：該程序雖然會輸出hello，但是是存在內(nèi)存泄漏的，因為最后并沒有釋放申請的內(nèi)存。
hello
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 20096)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
應(yīng)該改為：
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;
}
題4：輸出world，將一個動態(tài)申請的空間釋放，傳入的指針變量是不會置空的，會成為一個野指針，所以我們要養(yǎng)成一個好習(xí)慣：釋放一個空間，應(yīng)將其傳入的指針置空！
world
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 13356)已退出，代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??2.2C/C++語言中的內(nèi)存開辟
C/C++程序內(nèi)存分配的幾個區(qū)域：
- 棧區(qū)（stack）：在執(zhí)行函數(shù)時，函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建，函數(shù)執(zhí)行結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運算內(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)主要存放運行函數(shù)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回數(shù)據(jù)、返回地址等。
- 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)束時可能由OS回收 。分配方式類似于鏈表。
- 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。
- 代碼段：存放函數(shù)體（類成員函數(shù)和全局函數(shù)）的二進制代碼。
實際上普通的局部變量是在棧區(qū)分配空間的，棧區(qū)的特點是在上面創(chuàng)建的變量出了作用域就銷毀。 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)段的特點是在上面創(chuàng)建的變量，直到程序結(jié)束才銷毀 所以生命周期變長。
??2.3柔性數(shù)組
??2.3.1柔性數(shù)組特點與使用
也許你從來沒有聽說過柔性數(shù)組（flexible array）這個概念，但是它確實是存在的。 C99 中，結(jié)構(gòu)中的最后一個元素允許是未知大小的數(shù)組，這就叫做『柔性數(shù)組』成員。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性數(shù)組成員
}type_a;
有些編譯器會報錯無法編譯可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性數(shù)組成員
}type_a;
柔性數(shù)組的特點：
- 結(jié)構(gòu)中的柔性數(shù)組成員前面必須至少一個其他成員。
- sizeof 返回的這種結(jié)構(gòu)大小不包括柔性數(shù)組的內(nèi)存。
- 包含柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)用malloc ()函數(shù)進行內(nèi)存的動態(tài)分配，并且分配的內(nèi)存應(yīng)該大于結(jié)構(gòu)的大小，以適應(yīng)柔性數(shù)組的預(yù)期大小。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性數(shù)組成員
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//輸出的是4
return 0;
}
柔性數(shù)組的使用：
int main()
{
int i = 0;
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
//業(yè)務(wù)需求代碼段
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++) {
p->a[i] = i;
}
free(p);
return 0;
}
??2.3.2柔性數(shù)組的優(yōu)點
不使用柔性數(shù)組也是可以實現(xiàn)同樣的需求的：
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));
//業(yè)務(wù)需求代碼段
int i = 0;
for (i = 0; i < 100; i++) {
p->p_a[i] = i;
}
//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
但是使用柔性數(shù)組的優(yōu)勢是其空間使用是連續(xù)的，而不使用柔性數(shù)組，其空間使用相比于柔性數(shù)組是散落的。
柔性數(shù)組的優(yōu)點：
第一個好處是：方便內(nèi)存釋放如果我們的代碼是在一個給別人用的函數(shù)中，你在里面做了二次內(nèi)存分配，并把整個結(jié)構(gòu)體返回給用戶。用戶調(diào)用free可以釋放結(jié)構(gòu)體，但是用戶并不知道這個結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員也需要free，所以你不能指望用戶來發(fā)現(xiàn)這個事。所以，如果我們把結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存以及其成員要的內(nèi)存一次性分配好了，并返回給用戶一個結(jié)構(gòu)體指針，用戶做一次free就可以把所有的內(nèi)存也給釋放掉。
第二個好處是：這樣有利于訪問速度. 連續(xù)的內(nèi)存有益于提高訪問速度，也有益于減少內(nèi)存碎片。（提升不是特別明顯）
以上就是C語言動態(tài)內(nèi)存管理malloc柔性數(shù)組示例詳解的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于C語言動態(tài)內(nèi)存malloc柔性數(shù)組的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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Linux環(huán)境下段錯誤的產(chǎn)生原因及調(diào)試方法小結(jié)
借此機會系統(tǒng)學(xué)習(xí)了一下，這里對Linux環(huán)境下的段錯誤做個小結(jié)，方便以后同類問題的排查與解決2011-11-11
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