C语言突破进阶-动态内存管理
C语言突破进阶-动态内存管理
- 1. 动态内存分配快速入门
-
- 1.1 栈上开辟特点
- 1.2 动态开辟位置
- 2. 动态内存函数
-
- 2.1 `malloc`
-
- 2.1.1 malloc快速入门
- 2.2 `free`
-
- 2.2.1 free快速入门
- 2.3 `calloc`
-
- 2.3.1 calloc 快速入门
- 2.4 `realloc`
-
- 2.4.1 realloc快速入门
- 2.4.2 realloc 调整空间的两种情况
-
- :herb: 情况一：原有空间之后有足够大的空间
- :herb: 情况2：原有空间之后没有足够大的空间
- 2.4.3 realloc注意事项
- 3. 常见的动态内存错误
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- 3.1 对NULL指针的解引用操作
- 3.2 动态开辟的空间的越界访问
- 3.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 3.5 对同一块动态内存多次释放
- 3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
- 4.经典练习题
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- :chestnut:
- :chestnut::chestnut:
- :chestnut::chestnut::chestnut:
- :chestnut::chestnut::chestnut::chestnut:
- 5. C/C++的内存开辟
- 6. 柔性数组
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- 6.1 柔性数组快速入门
- 6.2 两种开辟方案
-
- 方案一
- 方案二
- 6.3 柔性数组的优势
1. 动态内存分配快速入门
1.1 栈上开辟特点
我们已经掌握的内存开辟方式有：
int a = 0;//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。
1.2 动态开辟位置
首先得了解一下动态内存开辟空间是在哪里开辟的
根据上图，一般动态内存开辟常常会发生在堆区
常常涉及的函数就是malloc、 realloc、 calloc 和 free
2. 动态内存函数
2.1 malloc
c语言提供了一个动态内存函数
void* malloc (size_t size);
2.1.1 malloc快速入门
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。
演示使用方法
int main()
{
//开辟10个整型的空间
//int arr[10];
int* p = (int*)malloc(40);
if (NULL == p)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
那么这里也涉及到了free()释放
2.2 free
void free (void* ptr);
2.2.1 free快速入门
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。
注意事项：
free(ptr); ptr = NULL;空间在malloc之后一定要free，不然会空间泄露，free完之后一定要记得把指针置空，不然会产生野指针
2.3 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。这个函数会直接直接初始化空间
void* calloc (size_t num, size_t size);
2.3.1 calloc 快速入门
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 main()
{
//开辟10个整型的空间
//int arr[10];
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL == p)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
小结：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。
2.4 realloc
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。
2.4.1 realloc快速入门
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。
2.4.2 realloc 调整空间的两种情况
int* ptr =malloc(20);
int* tmp = realloc(ptr, 40);
情况一：原有空间之后有足够大的空间
如果原来的空间是够的，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：原有空间之后没有足够大的空间
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。
2.4.3 realloc注意事项
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。由于有时候空间开辟失败会返回NULL，连原来的位置都找不到了，所以一般不会直接原来的指针变量开辟，而是创造一个临时指针放进去
int main()
{
//开辟10个整型的空间
//int arr[10];
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL == p)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
//需要增容 - 80
int*ptr = (int*)realloc(p, 80);
if (NULL != ptr)
{
p = ptr;
ptr = NULL;
}
//继续使用
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3. 常见的动态内存错误
动态内存会产生很多容易错误，下面来总结一下，预防错误发生
3.1 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);
}
这块空间一定是开不出来的，所以malloc返回的一定是空指针NULL，所以后面的空指针解引用一定是会报错的，解决方法就是加一个判断
int main()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
if (p == NULL)
return 0;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i;
}
return 0;
}
3.2 动态开辟的空间的越界访问
#include 3.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int*p = &a;
//写代码
free(p);//err
p = NULL;
return 0;
}
栈上的不能free
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
//使用内存
//1~5
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i+1;
p++;//这种写法有问题,把p移动了最后释放的时候有些地方泄露了
//*（p+i）=i;//正确使用方法
}
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
可以把p放在tmp指针里面，移动tmp最后就可以一起释放
3.5 对同一块动态内存多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 0;
}
//使用内存
...
//释放
free(p);
p = NULL;
free(p);//err
return 0;
}
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)
{
return 0;
}
//使用
//忘记释放，就会出现内存泄露的问题
}
int main()
{
test();
//free(ptr);//在主函数也释放不了，函数栈帧已经销毁了
return 0;
}
解决方法就是函数内部销毁或者是，带返回值，返回指针，在函数外销毁
总之一定不能忘记释放
4.经典练习题
下面的代码有没有问题
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
⚠️p出函数之后就销毁了，但是空间没有释放
⚠️strcpy中的str是空指针，再要去拷贝helloworld产生了非法访问
⚠️没有free
修改为二级指针，想要把GetMemory函数来改变str
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
//释放
free(str);
str = NULL;
}
或者是采用返回的方法，学习栈帧的时候有讲过，返回值一般是放到了寄存器中，所以不会被销毁
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);
//释放
free(str);
str = NULL;
}
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
当函数GetMemory运行完之后虽然把返回值给到了str，但是这块空间已经不属于str，所以有可能会打印出随机值，这种问题一般都叫返回栈空间地址的问题
也就是说你返回一个值是可以保存的，但是返回一个地址就没有意义了，因为地址指向的内容所开辟的函数栈帧已经销毁了，很容易打出随机值
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
//忘记释放了
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
问题在于没有内存释放，后果是内存泄漏
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL){
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
非法访问内存，因为之前对str指向的空间已经释放，不能再访问，str也没有主动置空NULL
5. C/C++的内存开辟
内存分区
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。
6. 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。
为什么我们要叫它柔性数组，就是因为这个数组可以被malloc或者是realloc放大缩小，柔性变化，所以说叫做柔性数组
6.1 柔性数组快速入门
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。
柔性数组扩容实例
struct S2
{
int n;
int arr[];//
};
int main()
{
struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2) + 40);
ps->n = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
//增容
struct S2* ptr = (struct S2*)realloc(ps, sizeof(struct S2)+80);
if (ptr == NULL)
{
return 0;
}
else
{
ps = ptr;
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
6.2 两种开辟方案
方案一
开辟和释放的次数都多，容易产生问题，同时开辟次数多，空间就越会零散，导致空间碎片越多
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
ps->n = 100;
ps->arr = (int*)malloc(40);
//使用
//增容
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
方案二
一次性开辟
struct S2
{
int n;
int arr[];//
};
int main()
{
struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2) + 40);
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
6.3 柔性数组的优势
上述方案1 和方案2 可以完成同样的功能，但是方法1有两个好处：
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。
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。(影响不是太大)
如若还想深入学习可以参考这篇文章https://coolshell.cn/articles/11377.html
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