【c语言进阶】动态内存管理详解
本章重点
- 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
- 柔性数组
1. 为什么存在动态内存分配
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：
- 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。
2.动态内存函数的介绍
2.1 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。 (自己进行强制类型转换)
- 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。
举个例子：
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include#include 当我们不释放该动态申请的内存是，当程序结束时，该内存由操作系统自动回收，但是如果程序不结束，动态内存不会自动回收，就会形成***内存泄露***的问题。
2.2calloc
与malloc的区别:会自动初始化申请的空间
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(void)
{
//申请10个整型的空间
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
//calloc申请的空间会被初始化为0
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
2.3realloc(重新开辟)
- 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.
int main(void)
{
//申请10个整型的空间
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d",*(p+i));
}
//空间不够，希望放20个元素
//考虑扩容
int*prt = (int*)realloc(p, 80);
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
//防止realloc找不到空间而又把原来的p空间覆盖了————赔了夫人又折兵
}
//扩容成功，开始使用
//不再使用，释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.常见的动态内存错误
3.1 对NULL指针的解引用操作
//解决办法:对mallco的函数返回值进行判空操作
int main(void)
{
int* p = (int*)malloc(1000);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
for (int i = 0; i < 250; i++)
{
*(p + i) = 1;
}
return 0;
}
3.2 对动态内存开辟空间的越界访问
//解决办法：对内存边界主动进行检查
int main(void)
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
//可能越界访问
for (int i = 0; i <= 25; i++)
{
*(p + i) = 1;
}
return 0;
}
3.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main(void)
{
int a = 10;
int* p = &a;
//...
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main(void)
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//释放空间
free(p);
p = NULL;//此时的p已经不是一开始的p了
return 0;
}
3.5 对同一块动态内存多次释放
int main(void)
{
int* p = malloc(100);
if (p == NULL)
{
return 1;
}
free(p);
//......
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏)
void test()
{
int* p = mallco(100);
//如果除了函数以后还没有free，
//那就永远没有人知道他的地址了，
//那这块内存就永久泄露了
}
int main(void)
{
test();
while (1)
{
;
}
return 0;
}
所以开辟了以后用完了***一定要释放***!!!
4.几个经典的笔试题
4.1 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);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
什么都打印不出来,程序最后会挂掉
- 内存泄露(p是str的一份临时拷贝,出了函数以后销毁,就没有人知道它的地址并对他进行解引用操作了)
- 对NULL的解引用操作,程序崩溃
正确写法:
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
4.2 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？
返回栈空间地址的问题!!!(栈空间的地址不要轻易返回,因为出了作用域以后就销毁了)
小栗子:
int* test()
{
int a = 10;
return &a;
}
int main(void)
{
int* p = test();
printf("%d\n",*p);
return 0;
}
4.3 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？
打印出了"hello",但是并没有free!
4.4 题目4：
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果？
野指针(在free之后一定要置成空指针以后再进行其他的操作)
5.C/C++程序的内存开辟
C/C++程序内存分配的几个区域：
- 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 。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。
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。
6. 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;
有些编译器可能无法通过,可以改成:
typedef struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性数组成员
}type_a;
- 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。
6.1 柔性数组的特点：
//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
6.1 柔性数组的使用：
//代码1
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。
6.1 柔性数组的优势：
上述的 type_a 结构也可以设计为：
//代码2
#include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）