C动态内存管理

时间：2023-02-28 07:23:16

现在有一个需求：先输入一个整数n，再输入以空格分隔的n个整数，然后求出这n个整数中最大的数。

#include<stdio.h>
int main() {
	int n;
	int arr[20];
	// 输入n的值
	scanf("%d", &n);
	// 循环n次，输入n个数据
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		scanf("%d", &arr[i]);
	}
	// 暂时认为第一个元素为最大的
	int max = arr[0];
	// max与各个元素比较，把较大的放入max
	for (int i = 0; i < n; i++)
	{
		if (arr[i] > max)
			max = arr[i];
	}
	printf("%d\n", max);
}

输入：

10
8 6 4 1 2 5 7 9 3 0

输出：

9

这里的特殊性在于，数据的数量n不确定，由用户输入决定。对于不同的输入，会出现以下3种情况。

  1. 如果n小于20，那么仅使用数组arr中的n个元素，后续的20 - n个元素闲置。
  2. 如果n等于20，数组arr中所有元素均被使用到。
  3. 如果n大于20，数组arr无法容纳多于20个元素的数据。

第一种情况会造成有空的元素闲置，而第三种情况数组无法容纳所有需要输入的数据。那么，能否待用户输入n后，再确定数组的元素个数呢？

变长数组

int n;
scanf("%d", &n);
int arr[n];
printf("sizeof of arr %d\n", sizeof(arr));

变长数组已经从C语言标准中移除了。编译器不一定会支持变长数组的特性。也就是说，这段代码可能在编译器中无法通过编译。

申请内存空间

更通用的方法是，使用头文件stdlib.h中的malloc函数，从内存中申请一段连续的内存空间。 函数 malloc 的声明如下： void* malloc(size_t size); 参数size为需要申请的内存空间大小。 返回值为void *类型的指针。若申请成功，返回值为成功申请的内存的首地址。若申请失败，返回值为NULL。 通过malloc函数成功申请内存空间后，我们可以按照需要，将返回的指针转为任意类型的指针使用。只要通过指针访问内存时，不要超过这段内存空间的大小即可。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* pInt = NULL;
	pInt = malloc(sizeof(int));
	double* pDouble = NULL;
	pDouble = malloc(sizeof(double));
	*pInt = 123;
	*pDouble = 3.1415926;
	printf("%d %f", *pInt, *pDouble);
	return 0;
}

malloc(sizeof(int))申请了4字节的内存空间，若申请成功，它将返回一个void *类型的指针，其数值为成功申请的内存空间的首地址。我们可以把这4字节的内存空间用于装int类型的数据。只要将void *通过赋值转换为int *，接着对int *类型的指针取值再赋值即可。 同样的，malloc(sizeof(double))申请了8字节的内存空间，若申请成功，它将返回一个void *类型的指针，其数值为成功申请的内存空间的首地址。我们可以把这8字节的内存空间用于装double类型的数据。只要将void *通过赋值转换为double *，接着对double *类型的指针取值再赋值即可。

C与C++的语法差异

在C语言中，**void ***可以通过赋值转换为其他类型的指针。

int* pInt = NULL;
pInt = malloc(sizeof(int));
double* pDouble = NULL;
pDouble = malloc(sizeof(double));

但是，在C++中，必须先把void *指针强制转换后，才能赋值给其他类型的指针。建议无论是写C语言代码还是**C++**代码，都做强制类型转换，这样有利于代码的可移植性。

通过强制转换将void *转换为其他类型的指针后，再赋值：

int *pInt = NULL;
pInt = (int *)malloc(sizeof(int));
double *pDouble = NULL;
pDouble = (double *)malloc(sizeof(double));

要严格保证使用指针访问成功申请的内存空间时，不要超过申请时预定的空间大小。

double* pDouble = NULL;
pDouble = (double*)malloc(sizeof(int));
*pDouble = 3.1415926;

上面的代码中，申请了sizeof(int)，即4字节大小的空间。若申请成功，它将返回一个void*类型的指针，其数值为成功申请的内存空间的首地址。接着，把它转换为double*类型的指针，并赋值给pDouble。但是，若对pDouble指针使用取值运算符*。将访问从首地址开始的8个内存空间，超出了申请时预定的4个字节空间，这种做法可能导致程序崩溃。

动态创建数组

若需要动态创建一个有10个int元素的数组，那么需要申请sizeof(int) * 10字节的内存空间，或者写成sizeof(int[10])也行。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* pArr = NULL;
	// 申请sizeof(int) * n，转换为int *使用
	pArr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
	// 给数组元素赋值
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		pArr[i] = i;
	// 打印数组元素
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		printf("%d ", pArr[i]);
}

pArr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);中的sizeof(int) * 10写成sizeof(int[10])也是可以的。 之前讨论的都是malloc函数成功申请到内存的情况，作为一个稳健的程序应当也考虑到失败的情况。

返回值判断是否申请成功

若malloc函数申请内存空间失败，它将返回NULL。对NULL指针取值将导致程序崩溃。建议每次通过malloc函数申请内存空间都对返回值进行判断。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* pInt = NULL;
	pInt = (int*)malloc(sizeof(int));
	// 判断malloc函数是否成功申请内存空间
	if (pInt != NULL)
	{
		// 若不为NULL，再使用这个指针
		*pInt = 123;
		printf("%d", *pInt);
	}
}

释放内存空间

通过malloc函数申请内存空间，并使用完成后，要记得使用free函数把这段内存空间释放。 函数free的声明如下： void free (void* ptr); 通过 malloc 申请内存空间后，系统内记录了这段内存空间的首地址和空间大小，保存到已分配的内存空间列表中，并保证这段空间不会再分配给别的地方。需要释放这段内存空间时，将首地址传入free函数。free函数将查找这个首地址是否在已分配的内存空间列表中，若存在，则根据列表中记录的首地址和空间大小，释放这段内存空间。释放后，这段内存空间可以再次分配给别的地方。 C动态内存管理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* pInt = NULL;
	pInt = malloc(sizeof(int));
	if (pInt != NULL)
	{
		*pInt = 123;
		printf("%d", *pInt);
		// 释放内存空间
		free(pInt);
	}
}

上面的代码中，申请了sizeof(int)个内存空间当做int类型来使用。使用完毕后，使用free函数将其释放。free函数的参数是void *类型的指针，而void *类型的指针可以接收任何类型的指针。所以，可以直接将pInt传递给free函数而无需转换。

不能释放偏移后的指针

若将pInt偏移后，再传递给free函数。已分配的内存空间列表中并没有记录这个首地址，这样做并不能释放之前malloc(sizeof(int))分配的内存空间，并且有可能导致程序崩溃。

// pInt偏移后，再传递给free函数
free(pInt + 1);

若只调用malloc申请内存空间，而不调用free函数释放内存空间，成功申请内存空间将一直保留直到程序结束。这期间程序所占用的内存空间将会越来越大，直到没有可分配的空间，无法再成功申请内存空间为止。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	while (1)
	{
		void* p = malloc(1024 * 1024);
		printf("%d\n", p);
	}
	return 0;
}

C动态内存管理 这种情况往往是申请了内存空间，但是忘记释放导致的。对于不再使用的内存空间，应当及时释放。 如上面示例代码的情况，申请的内存空间首地址存放到指针p中，而下一次新申请的内存空间首地址会覆盖掉上一次的首地址。由于没有保存内存空间的首地址，程序中将无法再通过任何方式使用或释放这些内存空间。这种现象被称作内存泄露，具有内存泄露问题的代码若长时间运行，会导致程序所占用的内存空间将会越来越大，直到没有可分配的空间，无法再成功申请内存空间为止。

从函数中返回指针

由于通过malloc函数申请的内存空间直到调用free函数释放或程序结束前都是有效的。因此，将指向malloc函数申请的内存空间的指针从函数中返回是合法的。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int* func()
{
	int* pInt = NULL;
	pInt = malloc(sizeof(int));
	if (pInt != NULL)
	{
		*pInt = 123;
	}
	return pInt;
}
int main()
{
	int* p = func();
	if (p != NULL)
	{
		printf("%d", *p);
		// 使用完记得释放
		free(p);
	}
	return 0;
}

正确输出

123

函数func中，申请了sizeof(int)字节内存空间，若申请成功，将这段内存空间存放整型数据123。并将指向这段内存空间的指针pInt作为返回值返回。 函数main中，调用函数func获得返回的int *类型的指针p。由于不能保证func函数返回的指针一定有效，这里也要做指针判空。若指针不为空，才可以使用它。使用完毕后，记得使用free函数释放内存空间。 若在函数中申请一段内存空间作为数组使用，将数组首元素指针从函数中返回。在被调函数结束后，主调函数依然可以通过数组首元素指针偏移访问数组的所有元素。但是，必须要注意偏移时，不要访问超过内存空间预定大小的位置。并且使用完毕后，记得释放内存空间。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int* func(int n)
{
	int* pArr = NULL;
	pArr = malloc(sizeof(int) * n);
	if (pArr == NULL)
	{
		// 申请失败，直接返回NULL
		return pArr;
	}
	// 申请成功，给每个元素赋值
	for (int i = 0; i < n; i++)
		pArr[i] = i;
	return pArr;
}
int main()
{
	// 数组长度为n，n初始化为10
	int n = 10;
	// 获取数组首元素指针
	int* p = func(n);
	if (p != NULL)
	{
		// 通过首元素指针偏移访问所有数组元素
		for (int i = 0; i < n; i++)
			printf("%d ", p[i]);
		// 使用完记得释放
		free(p);
	}
	return 0;
}

函数func中，申请了sizeof(int) * n字节内存空间。若申请失败，此时pArr为NULL，则直接返回pArr若申请成功，给每个元素赋值后，将数组首元素指针pArr返回。 函数main中，调用函数func获得返回的int *类型的指针p，它指向一个int类型数组的首元素。由于不能保证func函数返回的指针一定有效，这里也要做指针判空。若指针不为空，才可以使用它。通过首元素指针偏移可以访问所有数组元素。但是，首元素指针最多向后偏移9个元素。若继续向后偏移，将导致越界访问。最后，别忘了将首元素指针传入free函数释放内存空间。

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