C语言：（动态内存管理）

逆向-落叶

发布于 2024-10-28 14:31:19

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发布于 2024-10-28 14:31:19

文章被收录于专栏：C++

动态内存有什么用呢

int main()
{
	int a;//在栈空间开辟4个字节
	int arr[10] = { 0 };//在栈空间开辟10个字节的连续空间
}

上面这种开辟空间有2个缺点

1.空间开辟的大小是固定的。

2.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就不能调整

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。

malloc函数

开辟空间函数需要的头文件

#include<stdlib.h>

内存开辟的空间都是在堆区上的

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。

mallo申请的空间和数组申请的空间有什么区别呢？ 1.开辟的空间可以调整大小 2.开辟的位置不一样

int main()
{
	//申请10个整行的空间
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	//判断p
	if (p == NULL)
	{
		//是NULL就申请失败
		//打印报错信息
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//下面就是使用开辟的40字节
	
	//循环赋值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		//p从0地址开始赋值，i从1开始
		*(p + i) = i + 1;
	}
}

开辟失败示范

free函数

malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

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：

void free(void* ptr);

free是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。

//释放开辟的空间
	free(p);
	//p指向了被释放的空间，会变成野指针
	//所以需要搞成空指针 NULL
	p = NULL;

如果开辟的空间不释放的话，程序结束会被操作系统回收但是程序还没结束前会浪费很多内存空间

free只能释放动态内存开辟的空间

malloc和free最好成对使用

calloc函数

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）;

1.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。 2.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。

calloc函数是已经算好的，而malloc需要算

int* p = (int*) malloc(10 * sizeof(int));

int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

这2个有什么区别呢，malloc不会初始化，而calloc会初始化为全0

如果不想初始化用malloc，想初始化用calloc

malloc不会初始化

而calloc会初始化为全0

realloc函数

realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。

realloc可以调整内存地址。

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。

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。

realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行

int main()
{
	//申请10个整行的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	//判断p
	if (p == NULL)
	{
		//申请失败报错
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//所以空间
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

    //调整空间—希望变成20个整行的空间
	//realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行
	int* ret = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	//要判断是不是NULL，如果不判断，又等于NULL，则会把旧空间的数据全部赋值空
	if (ret != NULL)
	{
		//把新空间的地址赋值给p
		p = ret;
	}
	//使用
	//.....
	
	
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;

}

当然realooc也可以开辟空间

realloc（NULL,40）等价于malloc(40)

int main()
{
	int*p=(int*)realloc(NULL,40);//==malloc(40)
	if (p == NULL)
	{

	}
	return 0;
}

常⻅的动态内存的错误

对NULL指针的解引⽤操作

p如果是NULL就是对NULL解引⽤，这样是错误的

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    //使用
     for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        //如果是NULL就是对NULL解引⽤
        p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)
    }
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

我们需要进行判断是不是NULL，这样就可以避免对NULL指针的解引⽤操作

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    //进行判断是不是空指针
    if (p == NULL)
    {
        //是就报错
        perror(malloc);
        return 1;
    }
    //使用
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        //如果是NULL就是对NULL解引⽤
        p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)
    }
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

对动态内存开辟的空间越界访问

我们可以看到只开辟了10个整行的空间，循环访问40个整行，造成了越界访问

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror(malloc);
        return 1;
    }
    //使用
    for (int i = 0; i < 40; i++)
    {
        p[i] = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

对⾮动态开辟内存使⽤free释放

free对⾮动态开辟内存，会报错

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//...

	free(p);
	p = NULL;
}

使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

为什么会报错呢，因为free释放空间是从首地址开始释放的

当p加到10了，p就已经不是首地址了，就无法释放空间了

我们可以创建一个新的指针变量来加。

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror(malloc);
        return 1;
    }
    //使用
    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }
    //释放动态内存
    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

对同一块动态内存空间多次释放

当第一个free释放空间然后把p赋值NULL

第二个free释放空间，释放的是空指针当然是没有问题的

当第一个free释放空间没有把p赋值为NULL

第二个free释放的就是野指针了，就会报错了

所以把p赋值为NULL还是有必要的

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror(malloc);
        return 1;
    }
    //使用
    free(p);

    //....

    free(p);
    p = NULL;

    return 0;
}

动态内存开辟的空间忘记释放（内存泄露）

当在函数里开辟了100个字节的空间，a等于1提前返回了，没有释放空间

后面还有很多代码，以后就没办法释放了，就导致内存泄露了

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。

void add()
{
	int a = 1;
	int* p = (int*)malloc(100);

	if (p == NULL)
	{
		return;
	}

	if (a == 1)
	{
		return 1;
	}

	free(p);
	p = NULL;

}
int main()
{
	add();
	//假设后面还有很多代码
	return 0;
}

动态内存的笔试题分析

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);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

1.把字符串放到str相当于对NULL解引⽤操作，程序会崩溃。 2.存在内存泄露。

解决办法

就是返回p的地址，然后释放开辟的内存

char* GetMemory()
{
	char*p = (char*)malloc(100);
	return p;
}

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

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题目2

我们可以发现返回了p的地址，但是出了这个GetMemory函数外就被操作系统回收了，str就变成野指针了。

这是返回栈空间的问题，进这个函数创建，出这个函数销毁，可以返回变量，但不能返回地址

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

题目3

这个代码存在内存泄露

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;
}

题目4

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

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。

柔性数组不是结构体，是结构体里面的一个成员

struct a
{
	int a;
	char b;
	double c;
	int arr[0];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

struct a
{
	int a;
	char b;
	double c;
	int arr[];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};

柔性数组的特点：

1.结构中的柔性数组成员前⾯必须⾄少⼀个其他成员。 2.sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。 3.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。

第一种代码

下面这个代码我们可以看到sizeof计算结构体大小不包含柔性数组

进行判断是不是NULL，是就报错

结构体的a赋值100，结构体赋值1到20

调整柔性数组srr的空间，把arr的80个字节调整为160字节，然后判断是不是空，是就把p的地址给str

打印空间里的数值，然后释放空间

struct a
{
	int a;
	int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
	//                                 4个字节            80个字节
	struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a) + 20 * sizeof(int));
	//判断是不是空
	if (p == NULL)
	{
		perror(malloc);
		return 1;
	}
	//使用
	p->a = 100;
	//arr是数组用下标访问
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		p->arr[i] = i+1;
	}
	//调整开辟的空间
	struct a *str = (struct a*)realloc(p, sizeof(struct a) + 40 * sizeof(int));
	if (str != NULL)
	{
		str = p;
		p = NULL;
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//打印
	for (int i = 0; i < 40; i++)
	{
		printf("%d ", str->arr[i]);
	}
	//释放空间
	free(str);
	str = NULL;

	return 0;
}

第二种代码

我们可以发现第二种代码使用了2次malloc函数，上面那第一种只用了一次malloc

这就是柔性数组的特点

struct a
{
	int a;
	int *arr;
};
int main()
{
	//开辟了结构体的空间
	struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a));
	//判断是不是空
	if (p == NULL)
	{
		perror(malloc);
		return 1;
	}
	//开辟一块整行空间
	int* str = (int*)malloc(20 * sizeof(int));
	//不是空
	if (str != NULL)
	{
		//把新开辟的空间的地址赋值给p->arr
		p->arr = str;
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	//给a赋值100
	p->a = 100;
	//给arr数组赋值1到20
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		p->arr[i] = i + 1;
	}

	//调整空间，调整p->arr的空间,调整为40个整行
	str = (int*)realloc(p->arr, 40 * sizeof(int));
	//判断是不是空
	if (str != NULL)
	{
		p->arr = str;
	}
	else
	{
		return 1;
	}

	//打印
	for (int i = 0;i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", p->arr[i]);
	}
	//释放空间
	free(p->arr);
	p->arr = 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）

C/C++程序内存分配的⼏个区域：

1. 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,可以看看《函数的栈帧的创建和销毁》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。 2. 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。 3. 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。 4.代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码。