进阶C语言|动态内存管理


文章目录

  • 1. 为什么存在动态内存管理
  • 2. 动态内存函数的介绍
    • 2.1 malloc和free
    • 2.2 calloc
    • 2.3 realloc
  • 3.常见的动态内存错误
    • 3.1 对NULL指针的解引用操作
    • 3.2 对动态开辟空间的越界访问
    • 3.3 对非动态开辟内存使用free释放
    • 3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
    • 3.5 对同一块动态内存多次释放
    • 3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
  • 4. 几个经典的笔试题
    • 4.1 题目1:
    • 4.2 题目2:
    • 4.3 题目3:
    • 4.4 题目4:
  • 5. C/C++程序的内存开辟
  • 6. 柔性数组
  • 6.1 柔性数组的特点:
    • 6.2 柔性数组的使用
    • 6.3 柔性数组的优势

1. 为什么存在动态内存管理 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. 数组在声明时,必须指定数组的长度,它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。
这时候就只能动态内存开辟了。
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:
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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,则返回一个指向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的行为是标准未定义的,取决于编译器。
C语言提供了宁外一个函数free,专门是用来做动态内存的释放和回收的,函数原型如下:
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free函数用来释放动态内存开辟的内存。
  • 如果参数ptr指向的空间不是动态内存开辟的,那free函数的行为是未定义的。
  • 如果参数ptr是NULL指针,则函数什么都不做。
malloc和free都声明在stdlib.h头文件中。
for example:
#include #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

2.2 calloc C语言还提供了一个函数叫calloccalloc函数也用来动态内存分配。原型如下:
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  • 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(NULL != p) { //使用空间 } free(p); p = NULL; return 0; }

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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。
2.3 realloc
  • realloc函数的出现让动态内存管理更灵活。
  • 有时候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,那为了合理的申请内存,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。
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  • ptr是要调整的内存地址
  • size是调整之后的新大小
  • 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的空间。
  • realloc在调整内存空间的是存在两种情况:
    1. 原有空间之后有足够大的空间
    2. 原有空间之后没有足够大的空间
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    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。
    for example:
#include int main() { int *ptr = (int*)malloc(100); if(ptr != NULL) { //业务处理 } else { exit(EXIT_FAILURE); } //扩展容量 //代码1 ptr = (int*)realloc(ptr,1000); //这样可以吗? //不可以,因为如果realloc调整空间失败会返回一个空指针,这样连原来申请的空间都找不到了。 //代码2 int *p = NULL; p = realloc(ptr,1000); if(p != NULL) { ptr = p; } //业务处理 free(ptr); ptr = 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
#include #include int main() { int *p = (int*)malloc(INT_MAX/4); //INT_MAX是整型最大值 if(p ==NULL) return 0; int i =0; for(i=0; i<10; i++) { *(p+i)=i; //如果p的值是NULL就会有问题 } free(p); p=NULL; return 0; }

3.2 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); }

3.3 对非动态开辟内存使用free释放
void test() { int a =10; int *p=&a; free(p); //free只能释放malloc,calloc,realloc开辟的空间 }

3.4 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 }

3.5 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 }

3.6 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。
4. 几个经典的笔试题 4.1 题目1:
void GetMemory(char *p) { p = (char *)malloc(100); //形参p出函数会销毁 } void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(str); strcpy(str, "hello world"); printf(str); }

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正确的代码:
void GetMemory(char **p) { *p=(char*)malloc(100); } void Test(void) { char *str=NULL; GetMemory(&str); strcpy(str,"hello world"); printf(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) }

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数组p出函数后,数组开辟的空间就被销毁了,此时str就变成了野指针,原本的数组空间内容可能被改变了,所以打印出来的是随机值
再看两个例子:
例1:
int test() { int a=10; return 0; } int main() { int m =test(); printf("%d\n",m); return 0; }

这样写代码是可以的,因为返回的是变量本身,而不是栈空间地址。
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例2:
int *test() { int a=10; return &a; } int main() { int *p=test(); printf("%d\n",*p); return 0; }

【进阶C语言|动态内存管理】运行结果会怎么样?
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我们发现运行结果没有问题仍然是10,为什么?
这是因为原本a开辟的空间没有被使用而已
请看:
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printf函数的调用覆盖了a原本的栈帧空间。
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); }

这个代码只有一点小问题,没有free
再添上
free(str); str=NULL;

就行。
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); } }

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free完后应主动将其赋成NULL
5. C/C++程序的内存开辟 进阶C语言|动态内存管理
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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;

6.1 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:
//code1 typedef struct st_type { int i; int a[0]; //柔性数组成员 }type_a; printf("%d\n", sizeof(type_a)); //输出是4.

6.2 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。
6.3 柔性数组的优势 上述的 type_a 结构也可以设计为:
//代码2 typedef struct st_type { int i; int *p_a; }type_a; 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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