C语言动态内存管理的实现

1. 摘要

本文主要详解C语言中的动态内存分配

2. 为什么存在动态内存管理

我们先来看一段变量的声明：

double x = 1.000000;
char str[] = "abcdef";

好的，上述变量的声明有何特点呢？

请思考一下，我的朋友。

对，没错，不管是双精度浮点数 x 还是字符数组str，它们都是临时变量，所以当我们为其开辟内存的时候，都是在栈区上进行的。那么既然是在栈区上进行开辟的，那么对应的就被称为自动变量，也叫局部作用变量，特点是进入作用域，系统为这个变量自动分配内存空间；离开作用域时，系统自动为其销毁内存空间。

还有什么特点？

太棒了，就是如你所说的那样，无论是x还是str，它们所占的内存大小都是由系统自动进行分配的，double为8个byte，str数组为7个byte（包含‘\0'）。而且对于数组而言，我们在声明时就必须指定它的大小；创建局部作用变量之后，我们人为就无法改变它们的大小了。

那么你先在应该已经悟出了为什么会存在动态内存分配这一操作了吧，我的朋友。

有的时候，只有当程序运行的时候，我们才能知道我们需要开辟多大的内存空间，而事先无法知晓。那就试试动态内存分配吧。

别担心，我来教你。

3. 动态内存函数

函数是C语言的基本单元，为了实现动态内存分配，我们就需要调用C语言库中的动态内存函数。

动态内存函数能为我们在堆区开辟内存。

所引用的头文件为 <stdlib.h>

3.1 malloc

void *malloc( size_t size );

malloc函数的功能就是在静态区分配一块内存块给我们的程序

参数：内存大小（字节）

返回值：

开辟成功，返回指向开辟好的内存空间的指针，类型为void*，使用者根据实际情况，能在使用时将其强制类型转换成任意类型的指针开辟失败，返回空指针NULL，因此使用malloc时，一定要对返回值进行检查如果size是0，这是C标准未定义的，取决于编译器

3.2 free

void free( void *memblock );

free用来释放动态开辟的内存

• 如果memblock指针指向的空间不是动态内存开辟的，这是未定义的
• 如果memblock指针是NULL，则free什么事也不会做

例如，我们想动态开辟一块10个int类型大小的空间，因该遵循以下流程：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if(p != NULL)
	{
		//...你的操作...
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.3 calloc

void *calloc( size_t num, size_t size );

calloc函数也是用来动态分配内存的，但与malloc存在两大区别：

• 参数：需要传入两个参数，第一个参数为开辟内存单元的个数，第二个参数为每个内存单元的大小
• calloc在返回地址前把申请到的所有内存空间的每个字节初始化为0，而malloc没有这步初始化操作

那让我们来看一下calloc的初始化，对以下代码进行调试：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

调试结果如图一：

可见，40个字节的值被初始化成了0

3.4 realloc

void *realloc( void *memblock, size_t size );

动态内存分配的一大特点就是，能在内存不够用，或者内存开辟得太大的时候，对于开辟内存的大小进行灵活的调整，即对于一个指针指向的内存进行重新的分配

参数：

• memblock是要调整的内存的地址
• size是调整之后的内存的大小（byte）

返回值：

• 调整后指向新的内存的地址的指针
• realloc在调整内存的基础上，会将原来内存中的数据迁移到新的内存上
• 如果调整失败或者size=0且memblock不为NULL，返回NULL

realloc调整内存有2种情况：

• 情况一：原有空间之后有足够大的空间
• 情况二：原有空间之后没有足够大的空间

那么realloc是怎么处理这两种情况的呢？请看图二：

情况一：要拓展内存，直接在原有内存后面追加空间，原来的数据不发生改变
情况二：原有内存后面没有足够的空间，拓展方法是：指针指向一块新的足够大的内存空间，并将原来的数据复制到这块空间上去。这样返回的就是一个新的地址。

总结：所以在使用realloc的时候，建议用一个临时指针tmpptr来接收realloc的返回值，如果tmpptr不为NULL，那么就可以安心地用ptr去接收tmpptr了

4. 常见的动态内存错误

对NULL的解引用操作

void test()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	//如果此时开辟失败，ptr为NULL
	*ptr = 4;
	free(ptr);
}

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);
	p = NULL;
}

对非动态内存开辟的空间free

void test()
{
	int a = 0;
	int* pa = &a;
	free(a);
}

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

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

对同一块空间多次free

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

5. 几个经典笔试题

题目一：

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？

题目二：

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？

题目三：

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？

题目四：

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？

参考答案

题目一：

GetMemory函数传参为值传递，Test函数中的str依旧为NULL，无法向NULL地址处拷贝字符串，printf也无法打印

malloc后未free

题目二：

数组p在栈区上创建，出了GetMemory函数p就销毁，str其实就成了野指针

题目三：

malloc后未free，str未置成NULL

题目四：

str动态分配的内存已经被释放了，但下面还敢继续使用str，这是一个野指针问题

6. 参考文献

1.《C Primer Plus》第6版 p396 - 401