深度解析动态分配内存管理

news2024/12/26 13:37:28

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一. 前言

二.正文

2.0 计算机中的内存

2.1 动态申请函数头文件

2.2 malloc函数

2.3 free函数

2.3 calloc函数

2.4 realloc函数

2.5 经典笔试题

2.6 柔性数组

三.结语

一. 前言

本小节跟大家分享动态内存管理的知识，希望能给大家带来些收获。

二.正文

2.0 计算机中的内存

我们知道目前内存有，栈区，堆区，静态区。

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（操作系统）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。

目前我们有这些开辟内存空间的方法：

int h = 100; // 在静态区创建全局变量

int main()

{

static z = 10; // 变量储存在静态区

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

return 0;

}

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。

2.1 动态申请函数——头文件

#include<stdlib.h>

2.2 malloc函数

void* malloc ( size_t size ); // szie 字节数的意思，可以直接填数字

C 语言提供了一个动态内存开辟的函数：

这个函数向内存堆区申请一块 连续可用 的随机空间，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。
malloc可以申请0字节的空间，会返回一个没有空间的指针，不能访问。
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。

运用：

int * a = (int *)malloc(4); // 4可以改成 sizeof(int)
if	(a == NULL)
{
  perror("malloc"); // 开辟失败打印原因
}

2.3 free函数

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。
当我们不释放动态申请的内存时，如果持续申请内存，那么电脑内存不断变少，没有内存时就会死鸡，当程序结束时，操作系统自动回收内存。
如果程序不结束，那么不回收的内存，会越来越多，这就是出现内存泄露问题。

2.3 calloc函数

void* calloc ( size_t num , size_t size );

参数解析：

num: 创建数据类型的个数。
size: 每个数据类型所占的字节数。

特点：

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* a = (int*)malloc(8); // 2个整型
	int* b = (int*)calloc(2,sizeof(int)); // sizeof(int) 可以是 4，反正表示字节数
	return 0;
}

查看内存验证：

2.4 realloc函数——调整空间函数

void* realloc ( void* ptr , size_t size );

参数解析：

ptr ：是要调整的内存地址。（如果为空指针，那么同malloc功能类似。）
size ：调整之后新大小
返回值：为调整之后的内存起始位置。

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，那为了合理的使用内存，我们一定会对内存的大小做灵活的调整。

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：

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

看以下代码，思考代码那里不合理：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	p = (int*)realloc(p, sizeof(int));
	printf("%d", *p);
	return 0;
}

我们可以看出，这里没有判断realloc是否成功，如果申请失败，返回NULL，那么p就会丢掉原有的地址，这是不合理的，因此我们需要进行判断，所以正确的代码是：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	int *tmp= (int*)realloc(p, sizeof(int));
	if (tmp == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return -1;// 或者exit(-1);
	}
	p = tmp;
	printf("%d", *p);
	return 0;
}

2.5 经典笔试题

1.

思考：程序结果

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world"; // 栈区开辟，函数结束内存收回
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();  // 非法访问。访问被系统收回的内存
	printf(str);        // 无法打印，已被覆盖
}

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

2.

程序中存在的问题

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100); // 缺少对malloc返回值检查
	/*加上：if(str == null)
	{
		perror("malloc");
		exit(-1);
	}*/
	strcpy(str, "hello");
	free(str);      
	// 加上 str = null;
	if (str != NULL)         // str还存有原先内存的地址，出现野指针 
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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

2.6 柔性数组

也许你从来没有听说过 柔性数组（ flflexible 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 []; // 柔性数组成员

} type_a ;

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。

例如：

typedef struct mystruct
{
    double a;
    int c[];
}MS;

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(MS)); // 8
    return 0;
}

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：

代码1
typedef struct mystruct
{
    double a;
    int c[];
}MS;

int main()
{
    MS * p1 = (MS* )malloc(sizeof(MS) + 40);  // 那就是48个字节，40就是对柔性数组申请的                                                                                                                                 //预期空间
    return 0;
}

也可以这样：

代码2
typedef struct mystruct
{
    double a;
    int *c;
}MS;
int main()
{
    MS * p1 = (MS* )malloc(sizeof(MS));  
    if  (p1 == NULL)
{
   perror ( "malloc");
   exit(-1);
}
   p1->c = (int *)realloc(c, 40);
    return 0;
}