11_动态内存管理

动态内存管理

一.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：

• 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。

二.动态内存函数介绍

1. malloc和free(都需要stdlib.h)

①C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);//size的单位是字节

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(申请空间过大可能失败)
  

• 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的行为是标准未定义的,取决编译器
  

②C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,则函数什么事也不做

malloc和free都声明在stdlib.h头文件中
举例

#include 
int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
 //代码2
 int* ptr = NULL;
 ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
 if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
 {
 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;//是否有必要？有必要,防止p变为野指针
 return 0;
}

//函数使用示例
#include 
#include 
int main()
{
	//申请一块空间，用来存放10个整型
	int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}

	//free
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

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mun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会在返回地址前把申请的空间的每个字节初始化全为0,但malloc不初始化
• 返回值同malloc

举个例子

#include 
#include 
int main()
{
     int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
     if(NULL != p)
    {
         //使用空间
    }
     free(p);
     p = NULL;
     return 0;
}

所以如何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. 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(起始地址)

• szie是调整之后的新大小

• 返回值为调整之后的内存起始位置,realloc空间也可能创建失败,失败的时候返回NULL
  

• 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。

扩展之后

• 注:realloc第一个参数为空指针等价于malloc

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);
}
//不做返回值判断，就可能使用NULL指针，解引用

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);//ok? no!
}

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
}

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
}
//解决办法:free()后立刻将P设为NULL，即使重复释放也不会有任何影响(free如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。)

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);
}
//内存泄漏出了test函数,这块动态内存空间谁也释放不了了,并且谁也用不了了

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 。

四.几个经典的笔试题

1. 题目1:

void GetMemory(char *p)
{
 p = (char *)malloc(100);//2没有释放malloc开辟的空间,内存泄漏
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(str);
 strcpy(str, "hello world");//1程序对NULL的解引用操作,程序崩溃
 printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果？

• 程序崩掉

问题:1,2

2. 题目2:

返回栈空间或临时变量的地址

char *GetMemory(void)
{
 char p[] = "hello world";
 return p;//p数组出函数销毁
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 str = GetMemory();//str变野指针
 printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果？

• 程序崩溃

问题:

• 返回栈空间地址的问题

改正

• 将char p[ ]前加上static

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？

• 会打印hello,但少了free函数存在内存泄漏的问题

4. 题目4:

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);//free后要将指针置为空
 if(str != NULL)//为真
 {
 strcpy(str, "world");//str是野指针,对野指针进行操作,,非法访问内存
 printf(str);
 }
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果？

• 程序崩掉

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

六.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;

• vs以上两种写法都支持

1. 柔性数组的特点

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员
• 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

2. 柔性数组的使用

• 柔性数组法

• 普通法

3. 柔性数组的优势

• 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。

• 方便内存释放： 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）