动态内存管理（2）

2024-02-08 08:13:22 浏览数 (2)

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

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

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

在调用GetMemory函数时，传的是str的值，p是str的一份临时拷贝，p里面放的也是NULL，接着，把malloc开辟空间的地址给了p，但是str还是NULL，那么strcpy中的str就是NULL，就会对空指针进行解引用操作；同时，动态申请的内存空间没有释放，存在内存泄漏的问题（而且出了GetMemory函数之后想释放也释放不了，因为p所在的那块内存空间已经被销毁了，已经还给操作系统了）。

注：

  1. 传变量本身就是传值，传变量的地址才叫传址
  2. printf(“hello world”)并不是把"hello world"这个字符串传给了printf这个函数，而是传的’h’的地址，所以printf(str)这个写法没有问题

可以这样修改：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

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

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}
4.2 题目2
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";

	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

这里的str确实存了数组首元素的地址，但是p这个数组出了GetMemory这个函数就被销毁了，str变成了野指针，它指向的空间里的内容变成了随机值，所以打印出来就是随机值（这里也相当于是非法访问了）

可以这样修改：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char* GetMemory(void)
{
	static char p[] = "hello world";
	//char* p = "hello world";//"hello world"是常量字符串，放在代码段，程序结束才会销毁；p接收的是'h'的地址，所以str里放的是'h'的地址，出了作用域p被销毁了并不影响str找到"hello world"
	//以上两种写法都可以

	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

总结： 这属于返回栈空间地址的问题

我们可以简化一下这个问题：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>

int* test()
{
	int a = 10;

	return &a;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("%dn", *p);

	return 0;
}

这里的p就变成了野指针，但是有可能还能打印出10，这是因为可能这块空间还没有被用掉

如果改成这样：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>

int* test()
{
	int a = 10;

	return &a;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("*p=");
	printf("%dn", *p);

	return 0;
}

这样就打印不出来10了，这里涉及到函数栈帧：

返回栈空间地址的问题返回栈空间地址的问题

当只有第二个printf语句时，我在test函数返回后迅速先通过*p来找到10，然后开辟了printf的函数栈帧来打印它，所以还有可能打印出10；但是我再前面再加了一个printf后，第一个printf函数开辟的空间覆盖了原来test函数开辟的空间，所以第二个printf就打印不出10了

4.3 题目3
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

问题在于忘记释放

应该这样修改：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}
4.4 题目4
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
 
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

问题在于free完后没有把str置为空指针，导致str变为野指针，非法访问内存了

应该这样修改：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

5. C/C 程序的内存开辟

C、C 中程序内存区域划分C、C 中程序内存区域划分

注： 数据段也就是静态区

从图中我们也可以得知，一个全局变量和一个局部变量的地址其实离得是比较远的：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>

int d = 200;

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	static int c = 100;

	printf("&a = %pn", &a);//&a = 00CFFB6C
	printf("&b = %pn", &b);//&b = 00CFFB60
	printf("&c = %pn", &c);//&c = 0076A038
	printf("&d = %pn", &d);//&d = 0076A034

	return 0;
}

C/C 程序内存分配的几个区域：

  1. 栈区（stack）：在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。 栈区主要存放运行函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
  2. 堆区（heap）：一般由程序员分配释放， 若程序员不释放，程序结束时可能由OS(operate system)回收 ，分配方式类似于链表。
  3. 数据段（静态区）（static）存放全局变量、静态数据，程序结束后由系统释放。
  4. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在初识C语言中讲的static关键字修饰局部变量的例子了：

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁，但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，所以生命周期变长。

6. 动态通讯录

我们对之前写的通讯里进行一个改造：

  1. 通讯录的空间不是固定的，大小是可以调整的
  2. 默认能放3个人的信息，如果不够，就每次增加2个人的信息

首先，我们要改变一下通讯录这个结构体：

代码语言：javascript复制
//contact.h

typedef struct Contact
{
	PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
	int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
	int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;

接着是初始化通讯录：

代码语言：javascript复制
//contact.c

void InitContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));//DEFAULT_SZ是我定义的默认大小：3

	if (NULL == pc->data)
	{
		perror("InitContact");
		return;
	}

	pc->sz = 0;
	pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}

然后是增加联系人：

代码语言：javascript复制
//contact.c

int CheckCapacity(Contact* pc)
{
	if (pc->sz == pc->capacity)
	{
		PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity   INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
		
		if (NULL == ptr)
		{
			perror("CheckCapacity");
			return 0;
		}
		else
		{
			pc->data = ptr;
			pc->capacity  = INC_SZ;
			printf("增容成功n");
			return 1;
		}
	}

	return 1;
}

void AddContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == CheckCapacity(pc))
	{
		return;
	}

	printf("请输入名字:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
	printf("请输入年龄:>");
	scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
	printf("请输入性别:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
	printf("请输入电话:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
	printf("请输入地址:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);

	pc->sz  ;
	printf("成功增加联系人n");
}

最后用完通讯录要对它进行释放：

代码语言：javascript复制
//contact.c

void DestroyContact(Contact* pc)
{
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;
	pc->capacity = 0;
	pc->sz = 0;
}

其他通讯录的功能不需要改动，完整代码如下：

代码语言：javascript复制
//contact.h

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

#define MAX 100
#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX 5
#define MAX_TELE 12
#define MAX_ADDR 30

#define DEFAULT_SZ 3
#define INC_SZ 2

enum OPTION
{
	EXIT,//0
	ADD,
	DEL,
	SEARCH,
	MODIFY,
	SHOW,
	SORT
};

enum SELECT
{
	NAME = 1,
	AGE
};

//类型的声明

typedef struct PeoInfo
{
	char name[MAX_NAME];
	int age;
	char sex[MAX_SEX];
	char tele[MAX_TELE];
	char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;



//通讯录

//动态版本
typedef struct Contact
{
	PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
	int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
	int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;


//函数声明

//初始化通讯录
void InitContact(Contact* pc);

//增加联系人
void AddContact(Contact* pc);

//显示所有联系人的信息
void ShowContact(const Contact* pc);

//删除指定联系人
void DelContact(Contact* pc);

//查找指定联系人
void SearchContact(const Contact* pc);

//修改指定联系人
void ModifyContact(Contact* pc);

//排序功能
void SortContact(Contact* pc);

void DestroyContact(Contact* pc);
代码语言：javascript复制
//contact.c

#include "contact.h"

//动态版本
void InitContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));

	if (NULL == pc->data)
	{
		perror("InitContact");
		return;
	}

	pc->sz = 0;
	pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}

//动态版本
int CheckCapacity(Contact* pc)
{
	if (pc->sz == pc->capacity)
	{
		PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity   INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
		
		if (NULL == ptr)
		{
			perror("CheckCapacity");
			return 0;
		}
		else
		{
			pc->data = ptr;
			pc->capacity  = INC_SZ;
			printf("增容成功n");
			return 1;
		}
	}

	return 1;
}

void AddContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == CheckCapacity(pc))
	{
		return;
	}

	printf("请输入名字:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
	printf("请输入年龄:>");
	scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
	printf("请输入性别:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
	printf("请输入电话:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
	printf("请输入地址:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);

	pc->sz  ;
	printf("成功增加联系人n");
}


void ShowContact(const Contact* pc)
{
	assert(pc);
	
	int i = 0;
	//打印列标题
	printf("%-20st%-4st%-5st%-12st%-30sn", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
	//打印数据
	for (i = 0; i < pc->sz; i  )
	{
		printf("%-20st%-4dt%-5st%-12st%-30sn",
			pc->data[i].name,
			pc->data[i].age,
			pc->data[i].sex,
			pc->data[i].tele,
			pc->data[i].addr);
	}

}

static int FindByName(const Contact* pc, char name[])
{
	int i = 0;

	for (i = 0; i < pc->sz; i  )
	{
		if (0 == strcmp(pc->data[i].name, name))
		{
			return i;//找到了
		}
	}

	return -1;//找不到
}

void DelContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == pc->sz)
	{
		printf("通讯录为空，无法删除n");
		return;
	}

	char name[MAX_NAME] = { 0 };

	//删除
	printf("请输入要删除的人的名字:>");
	scanf("%s", name);

	//找到要删除的人
	int del = FindByName(pc, name);

	if (-1 == del)
	{
		printf("要删除的人不存在n");
		return;
	}

	int i = 0;

	//删除坐标为del的联系人
	for (i = del; i < pc->sz - 1; i  )
	{
		pc->data[i] = pc->data[i   1];
	}

	pc->sz--;
	printf("成功删除联系人n");
}

void SearchContact(const Contact* pc)
{
	assert(pc);

	char name[MAX_NAME] = { 0 };
	printf("请输入要查找人的名字:>");
	scanf("%s", name);
	int pos = FindByName(pc, name);

	if (-1 == pos)
	{
		printf("要查找的人不存在n");
	}
	else
	{
		//打印列标题
		printf("%-20st%-4st%-5st%-12st%-30sn", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
		//打印数据
		printf("%-20st%-4dt%-5st%-12st%-30sn",
				pc->data[pos].name,
				pc->data[pos].age,
				pc->data[pos].sex,
				pc->data[pos].tele,
				pc->data[pos].addr);
	}
}

void ModifyContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	char name[MAX_NAME] = { 0 };
	printf("请输入要修改人的名字:>");
	scanf("%s", name);
	int pos = FindByName(pc, name);

	if (-1 == pos)
	{
		printf("要修改的人不存在n");
	}
	else
	{
		printf("请输入名字:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].name);
		printf("请输入年龄:>");
		scanf("%d", &(pc->data[pos].age));
		printf("请输入性别:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].sex);
		printf("请输入电话:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].tele);
		printf("请输入地址:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].addr);
		printf("修改成功n");
	}
}


void select()
{
	printf("********************************n");
	printf("***** 1. name    2. age    *****n");
	printf("********************************n");
}

int cmp_by_name(const void* p1, const void* p2)
{
	return strcmp(((PeoInfo*)p1)->name, ((PeoInfo*)p2)->name);
}

int cmp_by_age(const void* p1, const void* p2)
{
	return ((PeoInfo*)p1)->age - ((PeoInfo*)p2)->age;
}

void SortContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == pc->sz)
	{
		printf("通讯录为空，无法排序n");
		return;
	}

	int input = 0;

	do
	{
		select();
		printf("请选择按何种方式进行排序:>");
		scanf("%d", &input);

		switch (input)
		{
		case NAME:
			qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_name);
			printf("排序成功n");
			break;
		case AGE:
			qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_age);
			printf("排序成功n");
			break;
		default:
			printf("选择错误，重新选择n");
			break;
		}

	} while (input != NAME && input != AGE);
}


void DestroyContact(Contact* pc)
{
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;
	pc->capacity = 0;
	pc->sz = 0;
}
代码语言：javascript复制
//test.c

#include "contact.h"

void menu()
{
	printf("********************************n");
	printf("***** 1. add     2. del    *****n");
	printf("***** 3. search  4. modify *****n");
	printf("***** 5. show    6. sort   *****n");
	printf("***** 0. exit              *****n");
	printf("********************************n");
}

void test()
{
	int input = 0;
	//首先得有通讯录
	Contact con;
	InitContact(&con);

	do
	{
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);

		switch (input)
		{
		case ADD:
			AddContact(&con);
			break;
		case DEL:
			DelContact(&con);
			break;
		case SEARCH:
			SearchContact(&con);
			break;
		case MODIFY:
			ModifyContact(&con);
			break;
		case SHOW:
			ShowContact(&con);
			break;
		case SORT:
			//排序
			//按照名字排序？
			//按照年龄排序？
			SortContact(&con);
			break;
		case EXIT:
			DestroyContact(&con);
			printf("退出通讯录n");
			break;
		default:
			printf("选择错误，重新选择n");
			break;
		}

	} while (input);
}

int main()
{
	test();

	return 0;
}

7. 柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。

7.1 柔性数组的特点
  • 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
  • sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
  • 包含柔性数组成员的结构用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。
7.2 柔性数组的使用
代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct S
{
	int n;
	//int arr[0];//这两种写法都可以
	int arr[];//柔性数组
};

int main()
{
	//printf("%dn", sizeof(struct S));//4
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)   40);

	if (NULL == ps)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	ps->n = 100;
	int i = 0;

	for (i = 0; i < 10; i  )
	{
		ps->arr[i] = i   1;
	}

	//空间不够，需要增容
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S)   60);

	if (NULL == ptr)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	ps->n = 15;

	for (i = 0; i < 15; i  )
	{
		printf("%dn", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}
7.3 柔性数组的优势

我们不使用柔性数组也可以实现上述功能：

代码语言：javascript复制
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));

	if (NULL == ps)
	{
		perror("malloc->ps");
		return 1;
	}

	ps->n = 100;
	ps->arr = (int*)malloc(40);

	if (NULL == ps->arr)
	{
		perror("malloc->arr");
		return 1;
	}

	int i = 0;

	for (i = 0; i < 10; i  )
	{
		ps->arr[i] = i   1;//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
	}

	//调整
	int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);

	if (ptr != NULL)
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	//打印
	for (i = 0; i < 15; i  )
	{
		printf("%dn", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;

	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

那么柔性数组的优势是什么呢？

  1. 使用柔性数组只用了一次malloc就解决问题了，方便内存释放。

如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存也给释放掉。

  1. 如果你在内存空间中多次开辟空间，内存碎片（内存和内存之间留下的缝）就越多，这些内存碎片就可能不能被很好地利用，内存的利用率就越低；同时，访问速度也会变低。

连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）

内存管理 排序 数组 函数 内存

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