面试题：C语言中动态内存分配下指针与数组的复杂应用

Question

在C语言中，使用动态内存分配创建一个三维数组，其维度分别为`x`、`y`、`z`（由用户输入）。要求通过指针灵活地访问和修改这个三维数组中的元素，同时要考虑内存释放的正确性和效率。请编写完整代码，并详细说明在整个过程中，指针和数组概念是如何交织运用的，以及可能会遇到的内存管理问题及解决方案。

Answer 1

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

// 创建三维数组
int*** create3DArray(int x, int y, int z) {
    int*** arr = (int***)malloc(x * sizeof(int**));
    if (arr == NULL) {
        perror("malloc");
        return NULL;
    }

    for (int i = 0; i < x; i++) {
        arr[i] = (int**)malloc(y * sizeof(int*));
        if (arr[i] == NULL) {
            perror("malloc");
            // 释放之前分配的内存
            for (int j = 0; j < i; j++) {
                free(arr[j]);
            }
            free(arr);
            return NULL;
        }

        for (int j = 0; j < y; j++) {
            arr[i][j] = (int*)malloc(z * sizeof(int));
            if (arr[i][j] == NULL) {
                perror("malloc");
                // 释放之前分配的内存
                for (int k = 0; k < j; k++) {
                    free(arr[i][k]);
                }
                free(arr[i]);
                for (int k = 0; k < i; k++) {
                    free(arr[k]);
                }
                free(arr);
                return NULL;
            }
        }
    }

    return arr;
}

// 释放三维数组的内存
void free3DArray(int*** arr, int x, int y) {
    for (int i = 0; i < x; i++) {
        for (int j = 0; j < y; j++) {
            free(arr[i][j]);
        }
        free(arr[i]);
    }
    free(arr);
}

int main() {
    int x, y, z;
    printf("请输入三维数组的三个维度 x, y, z: ");
    scanf("%d %d %d", &x, &y, &z);

    int*** threeDArray = create3DArray(x, y, z);
    if (threeDArray == NULL) {
        return 1;
    }

    // 访问和修改元素示例
    for (int i = 0; i < x; i++) {
        for (int j = 0; j < y; j++) {
            for (int k = 0; k < z; k++) {
                threeDArray[i][j][k] = i + j + k;
            }
        }
    }

    // 输出数组元素
    for (int i = 0; i < x; i++) {
        for (int j = 0; j < y; j++) {
            for (int k = 0; k < z; k++) {
                printf("%d ", threeDArray[i][j][k]);
            }
            printf("\n");
        }
        printf("\n");
    }

    free3DArray(threeDArray, x, y);
    return 0;
}

指针和数组概念的交织运用

1. 创建三维数组：
   • 首先，int*** arr = (int***)malloc(x * sizeof(int**)); 这里使用malloc为一个指向指针的指针分配内存，这是三维数组的顶层指针。这里指针arr指向了一个内存块，这个内存块的大小是x个int**类型的大小。
   • 然后通过两层循环，为每一个arr[i]分配y个int*类型大小的内存块，arr[i]也是指针，指向了这些内存块。
   • 再通过内层循环，为每一个arr[i][j]分配z个int类型大小的内存块，arr[i][j]同样是指针，指向这些int类型数据的内存块。
   • 这样，通过指针不断地分配内存，构建出了一个三维数组结构。
2. 访问和修改元素：
   • 当使用threeDArray[i][j][k]时，实际上是通过指针偏移来访问元素。threeDArray[i]首先找到第i个int**指针，threeDArray[i][j]进一步找到第j个int*指针，最后threeDArray[i][j][k]找到第k个int类型的数据。这里数组下标的操作本质上是对指针进行偏移计算，访问到对应内存位置的数据。

可能遇到的内存管理问题及解决方案

1. 内存分配失败：
   • 问题：在使用malloc分配内存时，可能由于系统内存不足等原因导致分配失败，malloc会返回NULL。如果不检查返回值而继续使用指针，会导致未定义行为。
   • 解决方案：在每次调用malloc后，立即检查返回值是否为NULL。如在代码中，每次malloc后都通过if (arr == NULL)进行判断，如果为NULL，则打印错误信息并释放之前已经分配的内存，避免内存泄漏。
2. 内存泄漏：
   • 问题：如果在分配内存后，程序出现异常（如提前return、发生错误等），而没有释放已经分配的内存，就会导致内存泄漏。例如，在分配arr[i]内存失败时，如果没有释放之前已经分配的arr[0]到arr[i - 1]的内存，就会造成内存泄漏。
   • 解决方案：在分配内存过程中，如果某一步失败，要按照正确的顺序释放之前已经分配的内存。在create3DArray函数中，当某一层malloc失败时，会按照相反的顺序释放之前分配的内存块，确保没有内存泄漏。
3. 释放内存顺序错误：
   • 问题：三维数组内存释放需要遵循一定顺序，如果先释放顶层指针arr，而没有先释放内层的指针指向的内存块，会导致内存泄漏和悬空指针问题。
   • 解决方案：在free3DArray函数中，先释放最内层的arr[i][j]，再释放中层的arr[i]，最后释放顶层的arr，保证内存释放的正确性。