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【C语言】（20）动态内存分配

article 2024/9/20 23:18:08

动态内存分配是通过stdlib标准库函数来管理的，主要包括malloc、calloc、realloc和free。这些函数允许在程序运行时分配和释放内存，使得内存的使用更加灵活。

1.动态内存分配函数

1.1 malloc

malloc函数用于分配一定数量的内存。它的原型在stdlib.h头文件中定义：

void* malloc(size_t size);

size：需要分配的内存字节数。
返回值：成功时返回指向分配内存的指针；如果分配失败，返回NULL。

示例：

#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = malloc(10 * sizeof(int)); // 分配10个整数的空间
    if (p == NULL) {
        // 处理内存分配失败的情况
    }
    // 使用p...
    free(p);
    return 0;
}

1.2 calloc

calloc函数用于分配并初始化内存。它的原型也在stdlib.h头文件中定义：

void* calloc(size_t num, size_t size);

num：需要分配的元素数量。
size：每个元素的大小。
返回值：成功时返回指向分配并初始化为0的内存的指针；如果分配失败，返回NULL。

示例：

#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = calloc(10, sizeof(int)); // 分配并初始化10个整数
    if (p == NULL) {
        // 处理内存分配失败的情况
    }
    // 使用p...
    free(p);
    return 0;
}

1.3 realloc

realloc函数用于重新分配内存。它可以增加或减少已分配内存的大小。其原型定义在stdlib.h头文件中：

void* realloc(void* ptr, size_t newSize);

ptr：指向先前分配的内存的指针。
newSize：新的内存大小。
返回值：成功时返回指向新分配内存的指针；如果分配失败，返回NULL，原指针ptr仍然有效。

示例：

#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = malloc(10 * sizeof(int)); // 最初分配10个整数的空间
    p = realloc(p, 20 * sizeof(int)); // 现在重新分配为20个整数的空间
    if (p == NULL) {
        // 处理内存分配失败的情况
    }
    // 使用p...
    free(p);
    return 0;
}

1.4 free

free函数用于释放先前通过malloc、calloc或realloc分配的内存。它的原型定义在stdlib.h头文件中：

void free(void* ptr);

ptr：指向需要释放的内存的指针。

注意：一旦内存被释放，指针ptr就不应再被访问。为了避免悬挂指针，建议将ptr设置为NULL。

示例：

#include <stdlib.h>

int main() {
    int *p = malloc(10 * sizeof(int));
    // 使用p...
    free(p);
    p = NULL; // 避免悬挂指针
    return 0;
}

2.动态内存分配的常见错误

2.1 未检查返回值

使用malloc或calloc分配内存时，如果系统没有足够的内存可供分配，这些函数将返回NULL。不检查这些函数的返回值直接使用返回的指针，可能会导致程序解引用空指针而崩溃。

错误示例：

int *ptr = malloc(sizeof(int) * 50); // 假设分配失败
*ptr = 5; // 如果ptr为NULL，这里会导致程序崩溃

正确做法：

int *ptr = malloc(sizeof(int) * 50);
if (ptr == NULL) {
    // 处理内存分配失败的情况
}

2.2 忘记释放内存

每次调用malloc、calloc或realloc分配的内存，在不再需要时应该使用free函数释放。忘记释放内存会导致内存泄露，可能导致程序随着时间的推移而运行缓慢，并最终耗尽可用内存。

2.3 重复释放内存

对同一块内存调用free两次是未定义行为，可能会导致程序崩溃。

错误示例：

int *ptr = malloc(sizeof(int));
free(ptr);
free(ptr); // 重复释放

2.4 使用已释放的内存

释放内存后继续使用该内存的指针，会导致未定义行为，通常称为悬挂指针（dangling pointer）问题。

错误示例：

int *ptr = malloc(sizeof(int));
free(ptr);
*ptr = 10; // 使用已释放的内存

2.5 越界访问

动态分配的内存块有固定的大小，超出其边界的访问是未定义的行为，可能会导致数据损坏或程序崩溃。

2.6 错误的内存大小计算

在使用malloc等函数时，传递错误的大小给这些函数，可能会导致内存分配不足或过多，从而引起未定义行为或浪费资源。

2.7 忘记为`realloc`返回的新指针赋值

realloc函数用于调整已分配内存的大小。如果realloc成功，它会返回指向新内存的指针，可能与原来的指针不同。如果不更新指针，可能会导致访问旧指针和内存泄露。

错误示例：

int *ptr = malloc(sizeof(int) * 2);
realloc(ptr, sizeof(int) * 4); // 忽略了realloc的返回值

正确做法：

int *ptr = malloc(sizeof(int) * 2);
int *new_ptr = realloc(ptr, sizeof(int) * 4);
if (new_ptr != NULL) {
    ptr = new_ptr;
}

3.柔性数组

柔性数组成员（Flexible Array Member，FAM）提供了一种方便的方式来表示结构体末尾的可变长度数组。然而，柔性数组本身并不支持动态扩容，因为它们的大小在结构体实例被首次分配内存时就已经确定。要实现类似“动态扩容”的功能，你需要手动重新分配内存，并小心处理数据的复制和迁移。

基本思路

要“动态扩容”一个包含柔性数组的结构体，可以按照以下步骤操作：

确定新的大小：根据需要扩容的数量，计算新的总大小。
重新分配内存：使用realloc函数为原结构体实例分配更大的内存块。
检查分配结果：确保realloc成功，否则处理内存分配失败的情况。
更新结构体状态：如果扩容成功，更新结构体内部的状态，如元素计数。

注意

使用realloc进行内存重新分配时，如果新的内存分配成功，原内存块的内容（直到较小的旧尺寸或新尺寸）会被自动复制到新内存块中，原内存块随后会被释放。
如果realloc返回NULL，原内存块不会被释放。因此，在处理realloc失败时要小心，以避免内存泄漏。
在实际使用中，应考虑如何处理数据迁移和默认值初始化等问题，尤其是扩容后新添加的元素。

示例

假设我们有以下包含柔性数组的结构体定义：

struct flex_array_struct {
    size_t count;
    int data[]; // 柔性数组成员
};

接下来，我们将通过一个函数来扩展这个结构体实例的data数组大小：

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

struct flex_array_struct* resize_flex_array(struct flex_array_struct* array, size_t new_count) {
    // 计算新的内存大小
    size_t new_size = sizeof(struct flex_array_struct) + sizeof(int) * new_count;
    
    // 尝试重新分配内存
    struct flex_array_struct* new_array = realloc(array, new_size);
    if (new_array == NULL) {
        // 内存分配失败，根据需要处理错误
        return NULL;
    }
    
    // 更新新数组的元素计数
    new_array->count = new_count;
    return new_array;
}

int main() {
    // 初始化并分配一个具有5个元素的柔性数组
    size_t initial_count = 5;
    struct flex_array_struct* my_array = malloc(sizeof(struct flex_array_struct) + sizeof(int) * initial_count);
    if (my_array == NULL) {
        // 处理内存分配失败
        return 1;
    }
    my_array->count = initial_count;
    
    // 动态扩容数组到10个元素
    size_t new_count = 10;
    my_array = resize_flex_array(my_array, new_count);
    if (my_array == NULL) {
        // 处理内存分配失败
        free(my_array);
        return 1;
    }
    
    // 使用扩容后的数组...
    
    // 释放内存
    free(my_array);
    return 0;
}