动态内存管理

目录

一:为什么要有动态内存分配

二:malloc和free

2.1 malloc

2.2 free

三:calloc和realloc

3.1 calloc

3.2 realloc

四: 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

4.2 对动态开辟空间的越界访问

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

五: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

六:总结C/C++中程序内存区域划分


一:为什么要有动态内存分配

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,数组空间⼀旦确定了大小不能调整
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。
C语言引入了动态内存开辟,让程序员自己可以申请和释放空间,就比较灵活了

二:malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数:(头文件:stdlib)

void* malloc (size_t size);
这个函数向内存申请⼀块连续可用的空间(在 堆区 ),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。
#include 
#include 
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;
		printf("%d ", *p);
		p++;
	}
	return 0;
}

动态内存管理_第1张图片

2.2 free

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:
#include 
#include 
int main()
{
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };
	int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * num);
	if (ptr != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < num; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
	}
	free(ptr);//把ptr指向的空间还给操作系统
	ptr = NULL;//但是ptr还是记住这个地址,如果这时候访问这个地址就是非法访问,ptr就是野指针
	return 0;
 }

使用完以后,一定要free以及将指针置为NULL


三:calloc和realloc

3.1 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:
#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p != NULL)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}
输出结果:0 0 0 0 0 0 0 0 0 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。

3.2 realloc

函数原型如下:
1 void* realloc (void* ptr, size_t size);
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。
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(同时也会把旧空间的数据拷贝到新空间里,同时释放旧空间,返回新空间地址)。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。
relloc调整失败也会返回空指针
relloc也可以实现和malloc一样的功能
int* p = (int *)relloc(NULL,40);
int* p1 = (int*)malloc(40);
//两者效果一样
#include 
#include 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		return 1;//如果执行了return后面的代码将不再执行
	}

	//p = (int*)relloc(p, 10000);//这样直接写,如果开辟失败,连原来的地址也找不到了
	
	//正确写法
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)relloc(p, 10000);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
	}
	free(p);
	free(ptr);
	p = NULL;
	ptr = NULL;
	return 0;
}

四: 常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    *p=20;    
    free(p);
//如果malloc开辟失败返回空地址,下面的用法就错了,少了判断p是否位NULL
}

4.2 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 (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i=10时,就是越界访问了
	}
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//释放非动态空间,系统会崩溃
}

对于malloc,calloc,relloc开辟的空间,如果不主动释放,除了出作用域以外,不会主动释放

释放方式:1.free主动释放

                   2.整个程序结束,操作系统释放回收

4.4 使用free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	p++;
	free(p);//p不再是原始位置
}

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	free(p);
	free(p);//p不再是原始位置
}

4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);
	//程序一直时死循环,如果没有free主动释放,这块空间就会一直被占用,发生内存泄露
	//这样会导致内存越用越小,程序效率下降
}

如果free放在程序结束之后,free未发挥作用,也会导致内存泄漏

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p != NULL)
	{
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	//如果p是空指针,程序直接就结束,不会再free,可块空间就一直被占用着
}
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。

五: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
}type_a;
//如果编译器无法编译可以改写为
typedef strcut st_type
{
    int i;
    int a[];
}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。
动态内存管理_第2张图片

5.2柔性数组的使用

#include 
#include 
//代码1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];
}type_a;
int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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 结构也可以设计为下面的结构,也能完成同样的效果。
#include 
#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));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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,你在里面做二次内存分配,并把整个结构体返回给用户。用户调用发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)

六:总结C/C++中程序内存区域划分

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(操作系统)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。

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