为什么存在动态内存分配
动态内存函数的介绍
malloc
free
calloc
realloc
常见的动态内存错误
几个经典的笔试题
六、C/C++程序的内存开辟
柔性数组
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:
1. 空间开辟大小是固定的。
2. 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。
(GCC支持C99标准,可以创建变长数组;VS不可以)
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。
动态内存分配是在堆上进行的。
C语言提供了一个动态内存开辟的函数:
void* malloc(size_t size);
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。
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。
#include
#include
#include
int main()
{
//向内存申请10个整型的空间
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
//打印错误原因的一个方式
printf("%s\n", strerror(errno));
}
else
{
//正常使用空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
return 0;
}
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:
void free (void* ptr);
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。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。 举个例子:
#include
int main()
{
//代码1
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};
//代码2
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
{
int i = 0;
for(i=0; i
有必要!
当我们把空间还给操作系统时,
但是p还是指向了这块空间,有被破坏的可能性,
所以我们主动把p赋值给空指针,更加安全。
malloc和free一定要成对使用。
彻底不再需要这块空间时,就使用free函数。
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);
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。 举个例子:
int main()
{
int *p = calloc(10, sizeof(int));
if(NULL != p)
{
//使用空间
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
所以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。
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);
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。
由于上述的两种情况,realloc函数的使用就要注意一些。
举个例子:
#include
int main()
{
int *ptr = malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//业务处理
}
else
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
//扩展容量
//代码1
ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
//会有特别大的风险!
//代码2
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//业务处理
free(ptr);
return 0;
}
这里如果对第一个指针直接进行realloc,会有非常大的风险。
如果发生情况2:原有空间之后没有足够大的空间,
那么我们会重新找一块空间分配,然后把旧的数据拷贝过来。
从感受上来看,我们的空间变大了,
但是返回的新地址和原来的地址不一定相同。
四、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);
}
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)
{
exit(EXIT_FAILURE);
}
for(i=0; i<=10; i++)
{
*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
}
对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}
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
}
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
}
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();
while(1);
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。 切记: 动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放 。
五、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);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
执行结果:
并没有像我们想的那样,输出hello world,
代码其实崩溃了。
崩溃的原因在于:
在GetMemory运行时,
把str传递给p,
但p是传值传递过来的,p是str的一份临时拷贝。
然后我们把一个动态开辟的地址放进p里;
但是这个地址并没有放到str里,
当GETMEMORY函数运行完,
临时变量p就销毁了,地址也没人记得了。
也就是说,str还是一个空指针。
也没法把字符串拷贝到空指针中,
所以程序崩溃。
而且程序存在内存泄漏的问题,
str以值传递的形式给p,p是GETMEMORY的一个形参,只在函数内部有效,
等GETMEMORY函数返回之后,动态开辟内存尚未释放,并且无法找到,
所以会造成内存泄漏。
这里改进,可以用二级指针:
改法2:
题目2:
char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
代码出现了非法访问。
这个数组只能在函数内部有效,
结束前虽然返回了这个数组的地址,
但是函数结束后,这块空间还给了OS,
即使有地址,但是里面存的值已不再是原值。
以下写法正确:
使用static修饰。
这样写法也可以:
因为动态内存开辟的空间在堆空间里,只有free后才能回收。
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);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
忘记释放动态开辟的内存,导致内存泄漏。
题目4:
void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
答案是输出world。(覆盖了前一段的hello,因为还能找到地址)
这段程序的最大问题是free后没有制为空指针,造成了非法访问。
六、C/C++程序的内存开辟
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《C语言初识》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。
七、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,结构体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;
使用方法:
ps->n = 100;
for(i = 0;i<5;i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
这样可以动态开辟这样一个数组。
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。
例如:
//code1
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
柔性数组的使用
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i = 0;i<100;i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
这样柔性数组成员a,相当于获得了100个整型元素的连续空间。
柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为:
//代码2
typedef struct st_type
{
int i;
int *p_a;
}type_a;
type_a *p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能,但是 方法1 的实现有两个好处:
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。(其实,我个人觉得也没多高了,反正你跑不了要用偏移量的加法来寻址)
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