面试题：C语言中内存泄漏与悬空指针的关联及解决方法

内存泄漏与悬空指针的关联

定义
- 内存泄漏：程序在动态分配内存后，由于某些原因（如忘记释放、释放失败等），导致该内存无法再被程序访问和使用，造成内存浪费。例如，使用malloc分配内存后，没有相应的free操作。
- 悬空指针：指针指向的内存已经被释放或无效（如超出作用域），但指针本身仍然存在，此时指针成为悬空指针。例如，int *p = (int *)malloc(sizeof(int)); free(p); // 此时p成为悬空指针
关联内存泄漏可能会间接导致悬空指针问题。当发生内存泄漏时，已分配的内存没有被释放，若后续代码错误地认为这块内存已被释放而重新使用该指针，就可能产生悬空指针。同样，悬空指针的操作也可能掩盖内存泄漏的情况，因为对悬空指针的无效访问可能导致程序崩溃，使得内存泄漏还未被察觉就终止了程序。

单线程环境下的预防和解决措施

预防内存泄漏
- 严谨的内存管理：遵循“谁分配谁释放”的原则。在分配内存的函数或模块中，明确记录分配的内存，并在合适的时机进行释放。例如：

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

int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (ptr!= NULL) {
        // 使用ptr
        *ptr = 10;
        printf("Value: %d\n", *ptr);
        free(ptr);
        ptr = NULL;
    }
    return 0;
}

使用智能指针模拟（手动实现类似功能）：可以通过结构体封装指针和释放函数，在结构体生命周期结束时调用释放函数。例如：

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

typedef struct {
    int *ptr;
    void (*free_func)(void *) ;
} SmartPtr;

void my_free(void *ptr) {
    free(ptr);
}

int main() {
    SmartPtr sp;
    sp.ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (sp.ptr!= NULL) {
        sp.free_func = my_free;
        *sp.ptr = 20;
        printf("Value: %d\n", *sp.ptr);
        sp.free_func(sp.ptr);
        sp.ptr = NULL;
    }
    return 0;
}

预防悬空指针
- 释放后置空：在释放内存后，立即将指针设置为NULL。如上述代码中free(ptr); ptr = NULL;这样当再次使用该指针时，对NULL指针的操作会触发空指针异常，便于发现问题。
- 作用域管理：确保指针的作用域与所指向内存的生命周期匹配。例如，不要在局部函数中分配内存，然后在函数外部使用该指针而不进行正确的传递和管理。

多线程环境下的预防和解决措施

预防内存泄漏
- 互斥锁保护内存操作：使用互斥锁（pthread_mutex_t）来保护内存的分配和释放操作，避免多个线程同时访问和修改共享内存导致内存泄漏。例如：

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

pthread_mutex_t mutex;
int *shared_ptr = NULL;

void* thread_func(void* arg) {
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (shared_ptr == NULL) {
        shared_ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
        if (shared_ptr!= NULL) {
            *shared_ptr = 30;
        }
    }
    // 使用shared_ptr
    printf("Thread value: %d\n", *shared_ptr);
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid;
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
    pthread_create(&tid, NULL, thread_func, NULL);
    pthread_join(tid, NULL);
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    if (shared_ptr!= NULL) {
        free(shared_ptr);
        shared_ptr = NULL;
    }
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
    return 0;
}

内存池技术：使用内存池预先分配一定数量的内存块，线程从内存池中获取和归还内存，避免频繁的系统级内存分配和释放，减少内存碎片和泄漏风险。

预防悬空指针
- 原子操作和内存屏障：在多线程环境下，使用原子操作（如_Atomic类型修饰指针）和内存屏障（memory_order相关操作）确保内存释放和指针更新的顺序性和可见性。例如：

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

_Atomic(int *) shared_ptr = NULL;

void* thread1_func(void* arg) {
    int *tmp = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (tmp!= NULL) {
        *tmp = 40;
        atomic_store(&shared_ptr, tmp);
    }
    return NULL;
}

void* thread2_func(void* arg) {
    int *tmp = atomic_load(&shared_ptr);
    if (tmp!= NULL) {
        printf("Thread2 value: %d\n", *tmp);
        free(tmp);
        atomic_store(&shared_ptr, NULL);
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t tid1, tid2;
    pthread_create(&tid1, NULL, thread1_func, NULL);
    pthread_create(&tid2, NULL, thread2_func, NULL);
    pthread_join(tid1, NULL);
    pthread_join(tid2, NULL);
    return 0;
}

引用计数：使用引用计数机制，记录指向某块内存的指针数量。当引用计数为0时才释放内存，避免在其他线程仍在使用该内存时释放导致悬空指针。

星途面试题库

面试题：C语言中内存泄漏与悬空指针的关联及解决方法

知识考点

面试题答案

内存泄漏与悬空指针的关联

单线程环境下的预防和解决措施

多线程环境下的预防和解决措施