C进阶:5.动态内存管理

news2024/9/24 17:15:03

目录

1.为什么存在动态内存分配

2.动态内存函数的介绍

2.1 malloc 和 free

2.2 calloc

malloc 与 calloc的区别:

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对非动态开辟的内存使用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

C/C++程序内存分配的几个区域:

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


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;//在栈空间开辟4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. 数组在神明的时候,必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。

但对于空间的要求,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,那数组在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。
  • 如果参数 size 为0,malloc 的行为的标准是未定义的,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,则函数什么事都不用做。

malloc 和 free 都声明在 stdlib.h 头文件中。

举个栗子:

#include <stdio.h>

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(ptr != NULL)//判断ptr指针是否为空
    {
        int i=0;
        for(i=0;i<num;i++)
        {
            *(ptr+1) = 0;
        }
    }
    free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
    ptr = NULL;//ptr被释放后,仍需要置NULL 
    return 0;
}
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if(p == NULL)
    {
        printf("%s\n",strerror(error));
        return 1;
    }
    //存放1~10
    int i = 0;
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        *(p+i) = i+1;
    }
    //打印
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        printf("%d ",*(p+i));
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

2.2 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0。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
    int *p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
    if(p = NULL)
    {
        printf("calloc");
        return 1;
    }
    //使用
    int i = 0;
    for(i=0;i<10;i++)
    {
        printf("%d ",*(p+i));
    } 
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

malloc 与 calloc的区别:

 

 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。

2.3 realloc

  • realloc 函数出现让动态内存管理更加灵活
  • 有时我们发现过去申请的空间太小了,有时候我们又觉得申请的空间太大了,那位了合理的申请内存,我们一定要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 是要提调整的内存地址
  • size 调整之后新的大小
  • 返回值为调整之后的内存的起始位置。
  • 这个函数在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 在调整内存空间的就存在两种情况:
    • 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:

由于原有的空间后有足够大的空间,要扩展的内存就直接在原有的内存之后追加空间,原来的数据不会发生变化。

情况2:

原有空间之后没有足够多的空间,扩展的方法是:在堆空间上另外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。

由于以上的两种情况,realloc  函数的使用就要注意一些。举个栗子:

#include <stdio.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);//动态申请内存100字节,并将地址转化为(int*)
	if (ptr != NULL)					//malloc 的返回值一定要判断,因为当该函数申请失败时会返回空指针;
	{
		//业务处理
	}
	else
	{
		//exit(EXTI_FAILURE);
	}
	//扩展容量
	//代码1
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//可以这样吗?(如果申请失败会如何?)  

	//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

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);
}

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)
	{
		exti(EXTI_FAILURE);
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i等于10 时会越界访问
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

3.3对非动态开辟的内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);
	p = NULL;
}

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
}
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 25; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	free(p);
	p = NULL;
}

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
}
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	//释放
	free(p);
	//
	free(p);
	return 0;
}

3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

//函数内部进行了malloc 操作,返回了malloc 开辟的空间的起始地址
//记得释放
int* test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	return p;
}
int main()
{
	int* ptr = test();
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	//...
	return 0;
}
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露。

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:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test()
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

请问运行Test函数会有怎样的结果?

Answer:

修改后:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
//修改方法1:
void GetMemory(char** p)//使用二级指针来接收指针变量(一级指针)的地址
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test()
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//修改方法2:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
char* GetMemory()
{
	char* p = (char*)malloc(100);//此处省略对malloc申请空间成功或者失败的情况
	return p;
}
void Test()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

小插曲:

int main()
{
    char* p = "hehe\n";
    printf("hehe\n");
    printf(p);
    return 0;
}
  • 常量字符串在运算时,产生的值是首字符的地址,所以把它存放在char* p中;
  • 所以在打印常量字符串时,
    • printf()直接输入它的内容,可以打印;
    • printf()直接输入指针变量(存储常量字符串的首元素地址),可以打印;

 4.2题目2:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

Answer:

 更改后:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
char* GetMemory(void)
{
	static char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

 4.3题目3:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);

}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

Answer:没有释放内存。

改正后:

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

 4.4题目4:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
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;
}

Answer:

 

5.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,函数内部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。

有了这幅图,就可以更好地理解再《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)这个概念,但是他确实是存在的。C99中,结构体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;

有些编译器还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));//输出的是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个整形元素的连续空间。

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,我个人也觉得没多高了,反正你跑不了要用偏移量的加法来寻址)

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