C语言中的动态内存管理
文章目录
- 为什么存在动态内存分配
- 动态内存函数的介绍
-
- malloc和free
- calloc
- realloc
- 常见的动态内存错误
-
- 1.对NULL指针的解引用操作
- 2.对动态开辟空间的越界访问
- 3.对非动态开辟内存使用free释放
- 4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 5.对同一块动态内存多次释放
- 6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 几个经典的例题
-
- 找错误并改正
- C语言程序的内存开辟图
- 柔性数组
为什么存在动态内存分配
我们常见的开辟方式有：
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：void* malloc (size_t size);
注意：
1.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。
2.如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
3.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。
4.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。
5.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，l来配合动态内存开辟函数的使用，函数原型如下：
void free (void* ptr);
注意：
1、free函数用来释放动态开辟的内存。
2、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。
3、如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做
malloc和free使用举例如下：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include calloc
C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下：
void* calloc (size_t num, size_t size);
注意：
1、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。
2、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。
3、如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化，那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。
calloc使用举例：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 程序调试结果：
程序执行结果：
realloc
大家认识到上面两种内存开辟函数后有没有发现一个问题？那就是我们如果开辟的空间不够了，怎么把空间变大呢？
所以为了合理的时候内存，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：
void* realloc (void* ptr, size_t size);
注意：
1、ptr 是要调整的内存地址
2、size 为调整之后新大小
3、返回值为调整之后的内存起始位置。
4、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。
5、realloc在调整内存空间的是存在三种情况：
情况1：当参数ptr为空指针，则会分配一个新的内存块。
情况2：原有空间之后有足够大的空间，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3：原有空间之后没有足够大的空间，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。
realloc函数使用举例：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//判断p指针是否为空,为空就不能使用了
if (p == NULL)
{
printf("内存开辟失败\n");
return;
}
//再追加空间
int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//判断ptr指针是否为空,为空就是空间追加失败
if (ptr == NULL)
{
printf("内存追加失败\n");
return;
}
p = ptr; //把新的地址重新交给p
for (i = 0; i < 20; i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ", p[i]);
}
printf("\n");
//最后要释放空间，归还给操作系统,并把p置为空指针
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
常见的动态内存错误
注意下面都是错误的例子，为了让我们了解常见的错误。都是错误的。
1.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);
}
2.对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int i = 0;
int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
if(NULL == p)
{
printf("内存开辟失败\n");
return;
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}
3.对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p); //因为a是在栈区上创建的，不是动态内存开辟的空间，错误
}
4.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，错误
}
5.对同一块动态内存多次释放
void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重复释放，错误
}
6.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();
//忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏,错误
while(1);
}
几个经典的例题
找错误并改正
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);
}
//因为函数是传值过去，指针p只是指针str值的拷贝，
//str本身保存的还是NULL，并没有改掉str的值
改正：要改变指针本身的值就传地址过去，所以用二级指针接收并改掉指针str里面的内容。并且最后还要内存释放。
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
题目2：
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
//因为数组p是在栈区上开辟的，所以当函数执行完后会把原来维护的栈帧还给操作系统，
//我们就不能使用原来的空间了
改正：我们应该在堆上来开辟空间，然后再交给指针str去维护。
char* GetMemory(void)
{
char* p = (char*)malloc(15 * sizeof(char));
p = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
C语言程序的内存开辟图
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
有了这幅图，我们就可以更好的理解static关键字修饰变量的例子了：
1、对于局部变量：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。
2、对于全局变量： 对于全局变量用static声明，则该变量的作用域只限于本文件模块（即被声明的文件中）。
柔性数组
当我第一次听说柔性数组的时候，觉得非常陌生，有这个东西存在吗？
但是柔性数组确实存在，定义如下：
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。
比如：
struct S
{
int a;
int arr[]; //柔性数组成员
};
struct P
{
int c;
int arr2[0]; //柔性数组成员
};
柔性数组的特点如下：
1、结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
2、sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
3、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。
例如：
struct S
{
int a;
int arr[];
};
printf("%d ", sizeof(struct S)); //这里输出4，不包括柔性数组的内存
柔性数组的使用：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include 很多人看了这个柔性数组感觉不咋滴，不就是里面开辟个空间吗，为什么要这样搞啊，把数组arr声明成一个指针，然后为它再分配一下内存不行么？
比如：
struct S
{
int a;
int* p;
};
int main()
{
struct S* ptr = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ptr == NULL)
{
return;
}
ptr->a = 100;
ptr->p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (ptr->p == NULL)
{
return;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ptr->p[i] = i;
printf("%d ", ptr->p[i]);
}
//注意：要先释放指针ptr维护空间里面的指针p
//不然先释放ptr就找不到指针p维护的空间了
free(ptr->p);
ptr->p = NULL;
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
它们的内存分布图：
柔性数组的优势：
第一个好处是：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。
第二个好处是：这样有利于访问速度。
连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。
