C语言篇 + 内存管理及柔性数组话题
目录
- 为什么存在动态内存分配
- 动态内存函数的介绍
-
- malloc和free
- free函数的注意事项
-
- 举例一
- 举例二
- 正确使用
- calloc
- realloc
- 常见的动态内存错误
-
- 对NULL指针的解引用操作
- 对动态开辟空间的越界访问
- 对非动态开辟内存使用free释放
- 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 对同一块动态内存多次释放
- 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 几个经典的笔试题
- 题目1：
- 题目二
-
- 题目3：
- 题目4：
- C/C++程序的内存开辟
- 柔性数组
-
- 柔性数组的特点
- 柔性数组的使用
- 总结：
为什么存在动态内存分配
为什么存在动态内存分配
首先我们先了解一下内存中的几个区域
栈区、堆区、静态区
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char arr[10] = {
0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间
但是上述的开辟空间的方式有两个特点：
- 空间开辟大小是固定的。
- 数组在申明的时候，必须指定数组的长度，它所需要的内存在编译时分配。
但是对于空间的需求，不仅仅是上述的情况。有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那数组的编
译时开辟空间的方式就不能满足了。 这时候就只能试试动态存开辟了。
动态内存函数的介绍
malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数，它的函数原型是这样的
这个函数向内存申请一块连续可用的空间，并返回指向这块空间的指针。 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针，并不会初始化空间。
如果开辟失败，则返回一个NULL指针，因此malloc的返回值一定要做检查。返回值的类型是 void* ，所以malloc函数并不知道开辟空间的类型，具体在使用的时候使用者自己来决定。 如果参数 size
为0，malloc的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
C语言提供了另外一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的，函数原型如下：
C语言提供了一个动态内存释放的函数，它的函数原型是这样的
free函数的注意事项
- free函数用来释放动态开辟的内存。
- 如果参数 ptr 指向的空间不是动态开辟的，那free函数的行为是未定义的。
- 如果参数 ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。
举例一
int main()
{
int a[10] = {
0};
int *p = a;
//那free函数的行为是未定义的。
free(p);//err
return 0;
}
举例二
int main()
{
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
free(p);
p = NULL;
//如果参数 ptr是NULL指针，则函数什么事都不做。
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
正确使用
void test()
{
int i = 0;
//动态申请
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
//申请失败
if (p == NULL)
{
printf("malloc file\n");
exit(-1);
}
//申请成功
else
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d\n", *(p + i));
}
}
//释放堆上的申请的空间，指针置空
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
值得一提的是，这里的释放完了必须得将指针置空，如果指针不置空，那么这个指针将会会成为野指针！野指针是一种很可怕的事情，并且错误不好排查，回到主体，很明显执行完free后内存已经释放了，内存也归还给操作系统了，可是指针还指向这块空间，不属于你的内存是不允许访问的，访问了就得受到惩罚(程序崩溃)
释放完了，习惯性地将指针置空，这样才是最安全的，指针间的关系已经被切断了
calloc
- 函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0。
- 与函数 malloc 的区别只在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0。
int mian()
{
int *p = (int *)calloc(10,sizeof(int));
//申请失败
if (p == NULL)
{
printf("%s\n",strerror(errno));
exit(-1);
}
return 0;
}
函数的功能是为 num 个大小为 size 的元素开辟一块空间，并且把空间的每个字节初始化为0，从调试窗口中很好观察
realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
有时会我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又会觉得申请的空间过大了，那为了合理的使用内存，
我们一定会对内存的大小做灵活的调整。那 realloc 函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。 函数原型
如下
在第一种情况下，释放原来的块。在第二种情况下，原始块没有变化。返回值指向一个存储空间，该存储空间保证对任何类型的对象进行适当的对齐
如果函数未能分配请求的内存块，则返回一个空指针，并且参数ptr指向的内存块没有被释放(它仍然有效，内容没有改变)。
-
ptr是要调整的内存地址 size调整之后新大小 返回值为调整之后的内存起始位置。
-
这个函数调整原内存空间大小的基础上，还会将原来内存中的数据移动到 新 的空间。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1：原有空间之后有足够大的空间
情况2：原有空间之后没有足够大的空间
-
情况1 当是情况1 的时候，要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间，原来空间的数据不发生变化。
-
情况2 当 是情况2
的时候，原有空间之后没有足够多的空间时，扩展的方法是：在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来 使用。这样函数返回的是一个新的内存地址。
void test()
{
int i = 0;
//动态申请
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
//申请失败
if (p == NULL)
{
printf("malloc file\n");
exit(-1);
}
//申请成功
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
int *pt = (int *)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//申请成功
if (pt != NULL)
{
//p去维护新的空间
p = pt;
//初始化后面的10块空间
for (int i = 10; i < 20; i++)
{
*(p + i) = i;
}
//打印
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
printf("%d ",*(p + i));
}
}
else //如果ptr开辟失败，p还是维护自己原本的空间
{
//打印
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
//释放空间，指针置空，防止内存泄漏和野指针
free(p);
p = NULL;
}
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。
常见的动态内存错误
对NULL指针的解引用操作
void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
free(p);
}
未加检查，如果动态内存开辟失败返回的是NULL指针，对空指针解引用程序会崩，并且free也不会工作
对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
//开辟失败
if(NULL == p)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//开辟成功
for(i=0; i<=10; i++)
{
*p++ = i;
//*(p + i) = i; p自己没有变
//p[i] = i; 等价上面
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return;
}
这里的p++，使得p的指向发生了变化，他已经不再指向这块内存的起始地址了，跑远了，修正方法很简单*(p + i) = i，p自身并没有改变，只是p的步子越迈越大
对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}
错误，free只能释放动态申请的内存
使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
只是从第二块空间开始释放的
前面这块空间并没有别释放，就会导致内存泄漏
对同一块动态内存多次释放
void test()
{
//错误写法，同一块内存不能释放多次
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放
//正确释放
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
p = NULL;
free(p);//p 为NULL free就不会执行
p = NULL;
}
同一块内存不能多次释放
动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
if(NULL != p)
{
*p = 20;
}
}
int main()
{
test();
}
test函数被调用完内存并未归还给操作系统，这是因为动态申请的内存没有释放free§ 后再将p置空
几个经典的笔试题
题目1：
void GetMemory(char *p) {
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
看这一组，代码看上去有一种迷惑行为，先将str置空指针，再调用GetMemory(char *p)函数接受这个空指针，此时指针变量p也是指向空，值得一提的是一级指针传递给一级指针，形参是实参的一份临时拷贝，p的改变并不会影响外面的str，所以str还是一个空指针，
strcpy(str, “hello world”);将hello world拷贝给str会对空指针解引用这就会导致程序崩溃，
解决方案：二级指针
void GetMemory(char **p) {
//传址调用，改变外面的str指向
*p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
传二级指针，里面的p的改变就会影响外面的str，strcpy(str, “hello world”);对str解引用就可行，
解决方案：返回指针
char* GetMemory(char *p) {
p = (char *)malloc(100);
return p;
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
str = GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
利用返回值改变str的指向，str不再指向空，
题目二
char *GetMemory(void) {
char p[] = "hello world";
return p; }
void Test(void) {
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
str = GetMemory(); 这行代码是在调用GetMemory，当GetMemory调用完了就会返回一个指针变量，他是一个局部变量，局部变量出了作用域就会被销毁了，此时的GetMemory函数中的p在返回回来就是一个野指针了，野指针指向哪里是不确定的，当在打印的时候就会是随机值
题目3：
void GetMemory(char **p, int num) {
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void) {
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
这段代码并不存在导致程序崩溃的问题，但是有一个内存泄漏的问题，str指向的内存并没有被释放
题目4：
void Test(void) {
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
很明显这段程序的错误就是str指向的空间被释放了，但是str并没有置为空指针，但是str还是能够记得上一次存放的地址，继续将world存放进这段内存中，打印出来的是word，
C/C++程序的内存开辟
- C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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。 - 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回收 。分配方式类似 于链表。
- 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。
- 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码
1、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。
2、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。
柔性数组
- 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
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
有些编译器会报错无法编译可以改成：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
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。
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
首先可以看到这是一次包含柔性数组的结构体声明，并创建了一个结构体变量，包含柔性数组的结构体也存在内存对齐，并且在sizeof计算的时候，结构大小不包括柔性数组的内存。
柔性数组的使用
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
void func()
{
struct st_type *p = (struct st_type *)malloc(sizeof(struct st_type) + sizeof(int) * 10);
//开辟失败
if (!p)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
exit(-1);
}
//申请成功
else
{
//初始化结构体成员
p->i = 10;
int i = 0;
for (; i < 10; i++)
{
p->a[i] = i;
}
//打印
i = 0;
for (; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p->a[i]);
}
}
//想到扩容怎么办,注意这里扩容的话要扩容的是整个结构体大小，并不是只扩容数组的大小
struct st_type *ptr = (struct st_type *)realloc(p,sizeof(struct st_type) + sizeof(int) * 20);
//开辟成功，ptr去维护新的空间，旧的空间被释放
if (ptr != NULL)
{
int j = 10;
for (;j < 20; j++)
{
ptr->a[j] = j;
}
j = 10;
for (; j < 20; j++)
{
printf("%d ", ptr->a[j]);
}
}
//开辟失败，p继续维护旧的空间
else
{
printf("扩容失败\n");
//p赋值给ptr
ptr = p;
}
//释放ptr所指向的内存空间,并将指针置空
free(ptr);
ptr = NULL;
}
- 使用柔性数组的好处在于不需要二次分配内存，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。 - 连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片(频繁malloc的次数多了也是会有内存消耗的)。
总结：
柔性数组就是一个结构体的最后一个成员，可以是一个未知大小的数组，这个数组你想要让他变大变小可以配合着动态内存开辟来一起使用，这个时候这个成员就被称为柔性数组成员
完
