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C語言動態(tài)內(nèi)存管理的實現(xiàn)

更新時間：2021年08月24日 10:26:43 作者：DanteIoVeYou

本文主要介紹了C語言動態(tài)內(nèi)存管理的實現(xiàn)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們可以參考一下

1. 摘要

本文主要詳解C語言中的動態(tài)內(nèi)存分配

2. 為什么存在動態(tài)內(nèi)存管理

我們先來看一段變量的聲明：

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

好的，上述變量的聲明有何特點呢？

請思考一下，我的朋友。

對，沒錯，不管是雙精度浮點數(shù) x 還是字符數(shù)組str，它們都是臨時變量，所以當(dāng)我們?yōu)槠溟_辟內(nèi)存的時候，都是在棧區(qū)上進(jìn)行的。那么既然是在棧區(qū)上進(jìn)行開辟的，那么對應(yīng)的就被稱為自動變量，也叫局部作用變量，特點是進(jìn)入作用域，系統(tǒng)為這個變量自動分配內(nèi)存空間；離開作用域時，系統(tǒng)自動為其銷毀內(nèi)存空間。

還有什么特點？

太棒了，就是如你所說的那樣，無論是x還是str，它們所占的內(nèi)存大小都是由系統(tǒng)自動進(jìn)行分配的，double為8個byte，str數(shù)組為7個byte（包含‘\0'）。而且對于數(shù)組而言，我們在聲明時就必須指定它的大??；創(chuàng)建局部作用變量之后，我們?nèi)藶榫蜔o法改變它們的大小了。

那么你先在應(yīng)該已經(jīng)悟出了為什么會存在動態(tài)內(nèi)存分配這一操作了吧，我的朋友。

有的時候，只有當(dāng)程序運行的時候，我們才能知道我們需要開辟多大的內(nèi)存空間，而事先無法知曉。那就試試動態(tài)內(nèi)存分配吧。

別擔(dān)心，我來教你。

3. 動態(tài)內(nèi)存函數(shù)

函數(shù)是C語言的基本單元，為了實現(xiàn)動態(tài)內(nèi)存分配，我們就需要調(diào)用C語言庫中的動態(tài)內(nèi)存函數(shù)。

動態(tài)內(nèi)存函數(shù)能為我們在堆區(qū)開辟內(nèi)存。

所引用的頭文件為 <stdlib.h>

3.1 malloc

void *malloc( size_t size );

malloc函數(shù)的功能就是在靜態(tài)區(qū)分配一塊內(nèi)存塊給我們的程序

參數(shù)：內(nèi)存大小（字節(jié)）

返回值：

開辟成功，返回指向開辟好的內(nèi)存空間的指針，類型為void*，使用者根據(jù)實際情況，能在使用時將其強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換成任意類型的指針開辟失敗，返回空指針NULL，因此使用malloc時，一定要對返回值進(jìn)行檢查如果size是0，這是C標(biāo)準(zhǔn)未定義的，取決于編譯器

3.2 free

void free( void *memblock );

free用來釋放動態(tài)開辟的內(nèi)存

如果memblock指針指向的空間不是動態(tài)內(nèi)存開辟的，這是未定義的
如果memblock指針是NULL，則free什么事也不會做

例如，我們想動態(tài)開辟一塊10個int類型大小的空間，因該遵循以下流程：

#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函數(shù)也是用來動態(tài)分配內(nèi)存的，但與malloc存在兩大區(qū)別：

參數(shù)：需要傳入兩個參數(shù)，第一個參數(shù)為開辟內(nèi)存單元的個數(shù)，第二個參數(shù)為每個內(nèi)存單元的大小
calloc在返回地址前把申請到的所有內(nèi)存空間的每個字節(jié)初始化為0，而malloc沒有這步初始化操作

那讓我們來看一下calloc的初始化，對以下代碼進(jìn)行調(diào)試：

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

調(diào)試結(jié)果如圖一：

在這里插入圖片描述

可見，40個字節(jié)的值被初始化成了0

3.4 realloc

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

動態(tài)內(nèi)存分配的一大特點就是，能在內(nèi)存不夠用，或者內(nèi)存開辟得太大的時候，對于開辟內(nèi)存的大小進(jìn)行靈活的調(diào)整，即對于一個指針指向的內(nèi)存進(jìn)行重新的分配

參數(shù)：

memblock是要調(diào)整的內(nèi)存的地址
size是調(diào)整之后的內(nèi)存的大?。╞yte）

返回值：

調(diào)整后指向新的內(nèi)存的地址的指針
realloc在調(diào)整內(nèi)存的基礎(chǔ)上，會將原來內(nèi)存中的數(shù)據(jù)遷移到新的內(nèi)存上
如果調(diào)整失敗或者size=0且memblock不為NULL，返回NULL

realloc調(diào)整內(nèi)存有2種情況：

情況一：原有空間之后有足夠大的空間
情況二：原有空間之后沒有足夠大的空間

那么realloc是怎么處理這兩種情況的呢？請看圖二：

在這里插入圖片描述

情況一：要拓展內(nèi)存，直接在原有內(nèi)存后面追加空間，原來的數(shù)據(jù)不發(fā)生改變
情況二：原有內(nèi)存后面沒有足夠的空間，拓展方法是：指針指向一塊新的足夠大的內(nèi)存空間，并將原來的數(shù)據(jù)復(fù)制到這塊空間上去。這樣返回的就是一個新的地址。

總結(jié)：所以在使用realloc的時候，建議用一個臨時指針tmpptr來接收realloc的返回值，如果tmpptr不為NULL，那么就可以安心地用ptr去接收tmpptr了

4. 常見的動態(tài)內(nèi)存錯誤

對NULL的解引用操作

void test()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	//如果此時開辟失敗，ptr為NULL
	*ptr = 4;
	free(ptr);
}

對動態(tài)開辟空間的越界訪問

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(dāng)i是10的時候越界訪問 
	} 
	free(p);
	p = NULL;
}

對非動態(tài)內(nèi)存開辟的空間free

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

使用free釋放一塊動態(tài)開辟內(nèi)存的一部分

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

對同一塊空間多次free

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

5. 幾個經(jīng)典筆試題

題目一：

void GetMemory(char* p) 
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
//請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

題目二：

char* GetMemory(void) 
{
	char p[] = "hello world"; 
	return p;
}
void Test(void) {
	char* str = NULL; 
	str = GetMemory(); 
	printf(str);
}
//請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

題目三：

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void) 
{
	char* str = NULL; 
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
//請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？

題目四：

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello"); 
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
//請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果？