动态内存管理(C语言进阶版)


作者简介 :RO-BERRY
学习方向:致力于C、C++、数据结构、TCP/IP、数据库等等一系列知识
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动态内存管理(C语言进阶版)_第1张图片
现在的偷懒会在以后还给你,只有多学多做才不负韶华,在默默无闻的地方发芽开花


动态内存管理

  • 前言
  • 1.动态内存函数的介绍
    • 1.1 malloc和free
    • 1.2 calloc
    • 1.3 realloc
  • 2.常见的动态内存错误
    • 2.1 对NULL指针的解引用操作
    • 2.2 对动态开辟空间的越界访问
    • 2.3 对非动态开辟内存使用free释放
    • 2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
    • 2.5 对同一块动态内存多次释放
    • 2.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
  • 3. 几个经典的笔试题
    • 3.1 题目1:
    • 3.2 题目2:
    • 3.3 题目3:
    • 3.4 题目4:
  • 4. C/C++程序的内存开辟
  • 5. 柔性数组
    • 5.1 柔性数组的特点:
    • 5.2 柔性数组的使用
    • 5.3 柔性数组的优势


前言

我们已经掌握的内存开辟方式有:
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。

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.动态内存函数的介绍

1.1 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);

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。

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。
如果我们一开始不知道我们需要给数组给多大,如果给大了,内存会浪费,给小了,会存不下
举个例子:

#include
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);     //理论上我们使用num来存放我们想要的数组大小
	int arr[num] = { 0 };  //我们可以在程序里面输入大小,也方便
	return 0;
}

可是这样是不符合C语言标准的
在这里插入图片描述
编译器说我们的表达式必须为常量值,不能是变量
这时候我们就应该使用我们的动态开辟函数:malloc

#include 
#include
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num * sizeof(int));   //malloc申请了num个int大小的字节
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空       //而malloc返回值为void*,我们需要将其转成int*
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;          
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;
	return 0;
}

malloc在申请了空间后,直接返回这块空间的起始地址,而且是不会初始化内存空间的

我们使用malloc开辟了空间,使用完了之后一定要free掉,它是不会自己还给内存空间的

这里有人会问,ptr指向的动态内存都释放了,我们还需要将ptr赋值为空(NULL)吗?

答案是肯定的,这是我们使用动态内存分配的必不可少的一步,我们将ptr指向的动态内存释放了,那么我们的ptr指向的是什么呢?ptr指向的空间没有了,那么ptr就成了野指针,为了防止这种情况,我们需要将ptr指向空


1.2 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。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:
动态内存管理(C语言进阶版)_第2张图片
内存开辟成功了
动态内存管理(C语言进阶版)_第3张图片
我们可以看到内容都被初始化为0了
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。


1.3 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
    动态内存管理(C语言进阶版)_第4张图片
  • 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 
#include
#include
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理   失败即为空指针
	}
	else
	{
		exit(EXIT_FAILURE);     
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//我们将申请的空间初始化为1000,这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
	//代码2
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	free(ptr);
	return 0;
}

我们来运行代码看看详细:
在这里插入图片描述
当我们初始化ptr后,可以看到ptr指向的内存空间地址是 0x000001931e9d34a0
让我们relloc多开辟一些空间:
程序往下面走

动态内存管理(C语言进阶版)_第5张图片
我们可以清楚的看到。ptr指向的内存空间地址发生了改变,从 0x000001931e9d34a0变成了 0x000001931e9da2e0
为什么指向的内存空间地址会发生改变呢?
让我们来画图看看:
动态内存管理(C语言进阶版)_第6张图片


2.常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用操作

让我们来看一段代码:

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);
}

在这段代码里,我们的malloc是可能会返回空指针的,也就是说p有可能指向NULL,我们在下面使用*p解引用的时候,对空指针解引用是会出现问题的,所以我们需要进行检查

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
	//*p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
	free(p);
}

2.2 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);
}

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

free函数是只能进行动态开辟的空间释放的,因为他们是存在不同的空间里

2.4 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
}

free不可以只释放申请空间里的一部分,只能整个free

2.5 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
}

2.6 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。
切记:
动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放 。


3. 几个经典的笔试题

3.1 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);
}

我们最终可以打印出来str吗?如果不能程序会出现什么状况呢?


让我们来看看结果:
在这里插入图片描述
程序无法运行
这是为什么?
动态内存管理(C语言进阶版)_第7张图片
我们的p指向了一块空间,与str完全没有关系,str依然指向的是空指针,最后就造成了str的空指针访问
这个程序有两个问题:

  1. 对NULL指针进行了解引用操作,程序会崩溃
  2. 没有释放空间,内存泄漏的问题

3.2 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?
动态内存管理(C语言进阶版)_第8张图片
语法没有问题但是输出的是我们的烫烫烫哥,我们以前说过,只有乱码的时候才会输出我们的烫哥,今天为什么会输出我们的烫哥呢?

我们再来看一看程序:
动态内存管理(C语言进阶版)_第9张图片
所以我们的str为一个野指针,输出的结果也就是我们的烫烫烫哥

3.3 题目3:

void GetMemory(char **p, int num)  //使用二级指针接受str的地址
{
	*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char *str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

动态内存管理(C语言进阶版)_第10张图片
似乎好像一切正常啊,也能正常输出,其实还是有问题的,那就是我们没有释放空间,没有free掉,这种错误是程序不会报错,但是会影响结果的。
我们要注意

3.4 题目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;
}

在这里,我们的代码在很早就free掉了str,而系统是不会自动将str置为NULL的,所以程序能走进if语句中,但是str的内容早就已经释放掉了,自然会报错,我们正确的解法应该是在free之后,自动将str赋值为NULL,以防变成野指针


4. C/C++程序的内存开辟

动态内存管理(C语言进阶版)_第11张图片

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。


5. 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。

例如:

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;

5.1 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。

例如:

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

5.2 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);

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。

5.3 柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为:

#include
typedef struct st_type
{
	int i;
	int *p_a;
}type_a;
int main()
{
	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 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,反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址)

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