【动态内存】详解

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🚀本系列文章为个人学习笔记，在这里撰写成文一为巩固知识，二为展示我的学习过程及理解。文笔、排版拙劣，望见谅。

目录

  • 1、常见动态内存错误
      • 1.1 对NULL指针的解引用操作
      • 1.2 对动态内存空间的越界访问
      • 1.3 对非动态开辟内存使用free释放
      • 1.4 使用free释放动态内存的一部分
      • 1.5 对同一快动态内存多次释放
      • 1.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
  • 2、动态内存经典笔试题分析
      • 2.1 题目一
      • 2.2 题目二
      • 2.3 题目三

1、常见动态内存错误

1.1 对NULL指针的解引用操作

如果我们写的代码不严谨，没有考虑到动态内存分配失败的可能，就会写出类似于下面的代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	
	//直接使用指针p
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	return 0;
}

这样的代码可能并没有什么问题，但是存在很大的隐患，因为动态内存函数是有可能开辟内存空间失败的，当开辟失败时会返回NULL，而NULL指针是不能解引用的
像VS这样比较强大的编译器会立马检测到并提示你
在这里插入图片描述

为了避免这种错误，我们需要对指针p进行判断，再决定是否使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//判断p是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		//打印出错误信息
		perror("malloc");
		//终止程序
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	return 0;
}

1.2 对动态内存空间的越界访问

我们用动态内存函数开辟多大的空间，我们就使用多大的空间，不能越界访问，例如：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//判断p是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		//打印出错误信息
		perror("malloc");
		//终止程序
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//p+1跳过1个整型，p+10就会越界
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		p[i] = i + 1;
	}
	return 0;
}

聪明的VS也会检测出错误提示你
在这里插入图片描述

1.3 对非动态开辟内存使用free释放

free函数是用来释放由动态内存函数开辟的空间的，不能释放普通内存

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = arr;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

当我们运行起来后就出问题了
在这里插入图片描述

1.4 使用free释放动态内存的一部分

上面我们用malloc函数申请了10个整型空间，然后通过for循环给这10个整型空间内放1~10的整数，有些同学可能会为了方便这样写代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	//判断p是否为空指针
	if (p == NULL)
	{
		//打印出错误信息
		perror("malloc");
		//终止程序
		return 1;
	}
	//给申请的动态空间内存1~10
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p++ = i;
	}
	//释放动态内存空间
	free(p);
	p = NULL；
	return 0;
}

当我们运行起来才发现写出了BUG
在这里插入图片描述
这又是为什么呢？
事实上此时free(p)中的p指针已经不再指向malloc开辟的动态内存的起始地址了，因为*p++这里对p的指向不断递增

free操作的指针必须指向要被释放的动态内存的起始地址

1.5 对同一快动态内存多次释放

当我们用完一块动态内存空间后不再使用对其释放后，可能会因为忘记而重复释放一次，并且如果第一次释放时忘记给p指针赋NULL，那么程序就会出错

	//使用...
	
	//释放动态空间
	free(p);

	//...

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;

但是如果我们两次释放时都给p指针赋了NULL，那基本不会发生什么事，相当于没有错，只是逻辑上讲不通
所以，在我们用free释放完动态内存空间后，紧跟着对指针赋NULL是很有必要的

1.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

当我们写代码的时候，存在这样一种可能会出现的错误，那就是动态开辟的内存忘记释放或者因为某些原因还没有到free语句就提前终止代码，这里举个简单的例子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void text()
{
	int flag = 1;
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}

	//使用
	
	//因为某些原因函数提前返回了
	if (flag == 1)
	{
		return;
	}

	//free函数
	free(p);
	p = NULL;
}

int main()
{
	//自定义函数
	text();

	//后面还有大量代码
	//....

	return 0;
}

虽然我们确实用了free函数释放空间，但是当代码量较大时可能会因为某些原因还没到free函数就提前终止了，而我们还没意识到，就算后面我们意识到了这个问题这块内存我们也找不到了
只有整个程序结束后这块内存才能被释放，如果程序一直不结束这块空间就再也找不到了，这就叫内存泄漏

所以，就算动态内存申请使用后用了free，也是有可能犯内存泄漏的错误，我们要多加小心

内存泄漏是比较可怕的，尤其是某些24小时不断运行的服务器程序，如果存在内存泄漏，内存被耗干也只是时间的问题

2、动态内存经典笔试题分析

2.1 题目一

请问运行下面 text函数会有什么后果？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void get_memory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	get_memory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

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

上面的代码一共有两个问题
第一个问题：malloc申请动态内存空间后没有使用free函数释放，这可能会导致内存泄漏

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void get_memory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	get_memory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);

	free(str);
	str = NULL;
}

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

第二个问题： 函数传参传值调用和传址调用使用错误

这个代码的意思是申请一块动态内存空间地址交给指针p，通过指针p再交给指针str，再使用strcpy函数将字符串拷贝到动态内存空间内，最后打印出字符串
但是get_memory函数传参的时候使用的是传值调用，所以指针p跟指针str没有关系

有两种纠错方法
方法一： 将传值调用改为传址调用，此时p为二级指针

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void get_memory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	get_memory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);

	free(str);
	str = NULL;
}

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

在这里插入图片描述

方法二： 直接返回指针p的地址，不需要传参

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

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	str = get_memory();
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);

	free(str);
	str = NULL;
}

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

在这里插入图片描述

2.2 题目二

请问运行下面 text函数会有什么后果？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char* get_memory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	str = get_memory();
	printf(str);
}

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

上面的代码是一个非常经典的例子，之前在C语言（指针）3中野指针一小节介绍过类似的例子

上面代码的问题：
我们在自定义函数get_memory中创建了一个局部临时数组存入字符串“hello world”，再将字符串的首地址返回用指针str接收，虽然此时指针str确实指向字符串“hello world”的首地址，但是此时str是没有权限访问这块空间的

因为在局部数组p在出了get_memory函数后就销毁了，它申请的空间会被收回，即使指针str能找到这块空间，但是它已经没有权限使用了，此时str就是一个野指针

在这里插入图片描述

所以我们应该避免返回栈空间地址

想要改正上面的代码也很简单，我们申请一块动态内存就行，同时也别忘了释放

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

char* get_memory(void)
{
	char* p = (char*)malloc(20);
	strcpy(p, "hello world");
	return p;
}

void text(void)
{
	char* str = NULL;
	str = get_memory();
	printf(str);
	
	free(str);
	str = NULL;
}

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

2.3 题目三

请问运行下面 text函数会有什么后果？

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void get_memory(char** p, size_t num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void test(void)
{
	char* str = NULL;
	get_memory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

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

上面的代码是可以打印出“hello world”的，但是遗憾的是上面的代码中使用了动态内存函数malloc，但是没有使用free函数释放动态内存空间
虽然上面的代码可以实现我们想要的效果，但这样的代码是存在安全隐患的

动态内存开辟函数malloc、calloc、realloc和动态内存释放函数free必须成对出现

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void get_memory(char** p, size_t num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void test(void)
{
	char* str = NULL;
	get_memory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

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

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