一文带你了解动态内存管理

目录

动态内存存在的意义

动态内存函数的介绍

malloc和free

calloc

realloc

常见的动态内存错误

对NULL指针解引用操作

对动态开辟的空间的越界访问

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

对同一块内存多次释放

动态开辟内存忘记释放

经典的笔试题

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

柔性数组的优点


动态内存存在的意义

int a = 10;
int arr[10] = { 0 };

上面变量开辟的空间有两个特点:
空间开辟的大小是固定的

数组在声明的时候,必须指定数组的长度,它需要的内存在编译时分配

但是,我们有的时候空间的需要大小在程序运行的时候才知道,数组的编译是开辟空间的方式就不能满足了。这时候就需要动态内存开辟了。

动态内存函数的介绍

malloc和free

void* malloc (size_t size)

一文带你了解动态内存管理_第1张图片

 malloc函数向内存申请一块连续可用的空间,返回指向这块空间的指针。

注意:
如果开辟成功,则返回一个指向这块空间的指针。、

如果开辟失败,则返回一个空指针,使用malloc的返回值要做检查

返回值的类型是void*类型,malloc不知道开辟空间的类型,需要使用者自己来决定。

如果size为0,malloc的行为是属于标准未定义的

C语言还提供了另一个函数free,是用来释放动态内存的。

void free (void* ptr)

一文带你了解动态内存管理_第2张图片

 free函数是用来释放动态开辟的内存

如果参数ptr指向的不是动态开辟的空间,这种行为是标准未定义的。

如果参数ptr是NULL指针,则函数什么事都不会做

malloc和free的声明都在stdlib.h中

举个栗子:

要注意把ptr变为NULL,不然它就是野指针了

#include 
#include 
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		*(ptr + i) = i;
	}
	free(ptr); //释放空间
	ptr = NULL;//把ptr变为NULL,不然他是野指针
	return 0;
}

calloc

void* calloc (size_t num, size_t size)

一文带你了解动态内存管理_第3张图片

 calloc将num个大小为size的元素初始化为0

与malloc的区别在于calloc会在返回地址前将申请的空间全部初始化为0

int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n",*(ptr + i));
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

一文带你了解动态内存管理_第4张图片

realloc

void* realloc (void* ptr, size_t size)

一文带你了解动态内存管理_第5张图片

 realloc的出现可以让动态内存管理变得更加灵活。有时我们会发现过去申请的空间太小了,又有时觉得太大了。为了合理管理内存,我们一定会对内存的大小进行调整。realloc就可以做做到对动态开辟内存大小地调整。

ptr是要调整内存地地址

size是调整后的大小

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,会将原空间上的数据移动到新的空间

realloc在调整原内存空间有两种情况:
1 原有空间之后有足够大的空间

2 原有空间之后没有足够大的空间

一文带你了解动态内存管理_第6张图片

情况一:要扩展内存的时候就直接在原有内存后面追加空间,原来空间的数据不发生变化。

情况二:原有空间之后没有足够的空间时,会在对堆上找另一块空间来使用,函数返回的就是这个新的内存地址。 

 栗子:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
		return 1;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}

	int* ptr = (int*)realloc(p, 50);
	if (ptr == NULL)
		return 1;
	p = ptr;
	ptr = NULL;
	for (int i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

常见的动态内存错误

对NULL指针解引用操作

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);
}

这里没有对p进行判断,如果malloc申请空间失败的话,他就会为空指针,对空指针解引用就会出现问题。

对动态开辟的空间的越界访问

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);
}

观察代码我们发现,当i等于10时,会越界访问,导致不可控的因素。

对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);
}

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
}

p指针移动后释放会导致一部分内存无法释放

对同一块内存多次释放

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

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 if(NULL != p)
 {
 *p = 20;
 }
}
int main()
{
 test();
 while(1);
}

忘记释放动态开辟的内存这样会导致内存泄露,使这部分内存无法再使用

经典的笔试题

void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");
 printf(str);
}

这段代码里面的str是传值调用,这函数将str重新拷贝了一份,函数接受这个函数就销毁了,str还是NULL,则strcpy不能使用,printf也打印不出

char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();
 printf(str);
}

这里返回的p是野指针,因为出了函数p开辟的空间就销毁了,p指向的内容是未知的,打印出来的内容也是未知。

void GetMemory(char **p, int num)
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

这里虽然是传址调用,但是到最后它没有将开辟的空间释放掉,导致内存泄露。

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
 }
}

这里是提前释放了空间,让后面的拷贝的地址后没有地方被他们存放

C/C++程序的内存开辟

一文带你了解动态内存管理_第7张图片

内存分配的区域:

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 。

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。

对于static的解释 :
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

一文带你了解动态内存管理_第8张图片

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。
struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
};
struct st_type
{
 int i;
 int a[];//柔性数组成员
};

有些编译器可以使用第一种方法,有些可以使用第二种方法

柔性数组的特点

结构体中的柔性成员前面至少得有一个其他的成员

sizeof求这种结构的大小不会包括柔性数组

包括柔性数组成员的结构用malloc进行动态内存分配的时候,分配的内存应该大于结构体的大小,以便适用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

柔性数组的使用

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

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);

这个柔性数组,相当于获得了100个整型的连续空间

柔性数组的优点

上面的代码其实也可以这样设计:

typedef struct st_type
{
	int i;
int* p_a;
}type_a;
type_a* p = (type_a*)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 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

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