【C语言】动态内存管理
目录
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- 一.为什么存在动态内存分配
- 二. 动态内存函数的介绍
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- 1. malloc和free
- 2. calloc
- 3. realloc
- 三. 常见的动态内存错误
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- 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）
- 四.笔试题
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- 题1：
- 题2：
- 题3：
- 题4：
- 五. C/C++程序的内存开辟
- 6. 柔性数组
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- 1.柔性数组的特点：
- 2.柔性数组的使用：
- 3.柔性数组的优势：
一.为什么存在动态内存分配
假如我们开辟内存：
int a = 0;
int arr[10] = { 0 };
我们已经知道变量a开辟4个字节大小的空间，数组arr开辟10个字节大小的空间。但是这两种开辟空间的方式有共同的特点：
- 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。
有时候我们运行程序后发现所开辟的空间不能满足我们的需求，这时可以试试动态存开辟，可以自己管理内存（扩大内存容量）。
二. 动态内存函数的介绍
1. malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数——malloc
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。
malloc函数的使用：
#include 注意以下几点：
- 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。
补充：
perror函数是一种用于将上一个函数发生错误的原因输出到标准错误（stderr）。简单来说，perror函数是用来输出程序运行期间发生的错误信息。
内存分布：
malloc 申请的内存空间，当程序退出时，还给操作系统；当程序不退出，动态申请的内存不会主动释放。所以需要使用free函数
C语言提供了另外一个函数free
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。
free(p);
p = NULL;
当这块空间使用完了，用free 把p所指向的空间进行释放。p原来指向这块空间，使用完之后还给操作系统，此时这块空间（对于p来说）不在了，但是p依然保存着原来空间的值（地址）。这块空间用free 释放掉，p就变成野指针了，所以把p置为空。
2. 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。
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
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror("calloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
打印出来的结果：
当要开辟的空间太大时会开辟失败：
int* p = (int*)calloc(INT_MAX, sizeof(int));
perror函数打印出的错误信息：
3. realloc
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，它让动态内存管理更加灵活。
void* realloc (void* ptr, size_t size);
ptr 是要调整的内存地址；size 是调整之后新大小（单位是字节）;返回值为调整之后的内存起始位置。
realloc在调整内存空间的是存在两种情况：
情况1：调整后有足够的空间
要扩展内存就直接在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：后面的空间不够
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
realloc 函数的使用：
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
ptr = NULL;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
for (i = 0; i < 15; i++)
{
printf("%d\n", p[i]);
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
三. 常见的动态内存错误
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);
}
malloc开辟一块空间，p有可能是空指针，对空指针进行解引用会出问题。所以使用前要对是否为空指针进行判断。
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)
{
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);
}
3. 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
}
p不是动态开辟，使用free释放会出错误
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);
{
perror("malloc");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*p = i;
p++;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
i的值赋给p，p的地址++，p的地址变化了，不再指向起始位置，使用free释放会从变化的地址开始释放，只释放部分空间。
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
}
free每次释放后，要把p置为空，即使重复释放，相当于什么事情都没做
p = NULL;
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();
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
动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放
动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁（指还给操作系统），只有两种方式销毁，一是free释放，二是程序结束
四.笔试题
题1：
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析：
进入Test函数，创建一个指针变量str，里面放NULL；GetMemory函数以值传递的形式传给p，p也是指针变量（指针变量也是变量，所以是传值调用）， 所以得到的也是NULL；p申请开辟100字节的空间，空间的地址放在p里面，p指向这块空间的地址。str是实参，p是形参，形参是实参的一份拷贝，只是把数据拷贝到p里面去，所以str与p是各自独立的一块空间（str的值不随p的改变而变化，所以str还是NULL）。返回Test函数，用strcpy函数对空指针进行解引用操作，程序就会出现问题。
第二点，没有用free释放空间，有内存泄漏问题
题2：
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析：
这是返回栈空间地址的问题。
进入Test函数创建一个变量str为NULL，进入GetMemory函数，创建一个数组p，p里面放hello world；因为p数组是在函数内部创建的，所以进入这个函数它的生命周期开始创建，出这个函数销毁，这块空间还给操作系统。返回p的地址，放在str里面去，此时str指向p；但是这块空间已经销毁了，所以这块空间就是野指针（非法访问）。
题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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析：
这道题其实是第一题的修改版，唯一不足的是忘记了free释放
free(str);
str=NULL；
题4：
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;
}
分析：
malloc函数为str开辟一块空间，里面放hello；用free释放，然后判断如果不为空指针，把world拷贝到str里去，最后打印。但是这块空间释放完已经还给操作系统了，不能再使用，如果拷贝就是非法访问。
正确做法是在释放后把str置为空
五. 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
通过上面的图，我们就可以更好的理解static关键字修饰局部变量的例子：
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。
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（数组长度可变），这就叫做柔性数组成员。
比如：
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
1.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。
比如：
typedef struct st_type
{
int i;//至少一个成员
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
2.柔性数组的使用：
struct S
{
int n;
int arr[0];//柔性数组
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
ps->n = 100;
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i + 1;
}
//扩容
struct S* ptr = realloc(ps, sizeof(struct S) + 60);
if (ptr == NULL)
{
perror("realloc");
return 1;
}
ps = ptr;
ps->n = 15;
for (i = 0; i < 15; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
另一种替代柔性数组的写法：
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
{
perror("malloc->ps");
return 1;
}
ps->n = 100;
ps->arr = (int*)malloc(40);
if (ps->arr == NULL)
{
perror("malloc->arr");
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
ps->arr[i] = i + 1;
}
int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);
if (ptr != NULL)
{
ps->arr = ptr;
}
else
{
perror("realloc");
return 1;
}
for (i = 0; i < 15; i++)
{
printf("%d\n", ps->arr[i]);
}
free(ps->arr);
ps->arr = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
3.柔性数组的优势：
一：方便内存释放
使用柔性数组采用一次malloc函数,，一次释放；另一种方法两次malloc函数，两次释放。malloc出现的次数越多，越容易出现问题（比如忘记释放）。
二：有利于提高访问效率
一块空间频繁的开辟内存，每个内存空间之间会有内存间隙（也叫内存碎片），这些内存碎片就不能够很好的利用。连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。
感谢观看 ~ ~ ~