【C进阶】分析 C/C++程序的内存开辟与柔性数组(内有干货)

news2025/1/23 2:06:54

前言：

        本文是对于动态内存管理知识后续的补充，以及加深对其的理解。对于动态内存管理涉及的大部分知识在这篇文章中 ---- 【C进阶】 动态内存管理_Dream_Chaser～的博客-CSDN博客

        本文涉及的知识内容主要在两方面：

  • 简单解析C/C++程序的内存开辟
  • 分析柔性数组的知识点

目录

前言：

C/C++程序的内存开辟区域📍

1.栈区（stack）

2. 堆区（heap）

3. 数据段（静态区）（static）

4. 代码段

柔性数组💨

柔性数组的特点

柔性数组的使用

柔性数组的优势 

C/C++程序的内存开辟区域📍

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。      
📃内存区域划分图:

        📚有了这幅图，我们就可以更好的理解在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。
        

柔性数组💨

        柔性数组（Flexible Array）是一种在编程语言中用于表示可变长度的数组的数据结构。它允许在声明数组时不指定数组的长度，而是在运行时根据需要动态分配内存空间。

        柔性数组最常见的应用是在C语言中。在C语言中，柔性数组是一种特殊的结构体成员，其长度可以在结构体实例化之前或之后进行动态调整。

        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。

啥意思呢，用代码说话

        在vs编译器环境下，以下两种写法均支持

        第一种写法（使用空方括号[ ]）是更常见和更符合标准的写法，可以在大多数编译器环境下使用。

struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[];//柔性数组成员
};

        第二种写法（指定大小为0）在某些特定的编译器(vs)扩展中可能有效，但不具有通用性和可移植性。

struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[0];//柔性数组成员(指定大小)
};

柔性数组的特点

1️⃣结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

typedef struct st_type
{
 int i;//必须至少一个其他成员
 int a[0];//👈柔性数组成员
}type_a;

错误写法:

struct SA
{
	int arr[];//柔性数组成员
};

2️⃣sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存

struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[];//柔性数组成员
};
int main()
{
	printf("%d", sizeof(struct S));
}

🚩8

3️⃣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。 

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //arr需要开辟的空间是10个int
    //                     n与c需要开辟的内存           arr数组需要开辟的内存空间
    //                           8                         40
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));


	return 0;
}

图解:

柔性数组的使用

代码实现🎯

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>

//柔性数组
struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n",strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for ( i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}
	//调整arr数组的大小(注意这是重新改变大小，不是说在原来空间后面增加，比如说原来是48，那么现在就是88)
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n,sterror(error)");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//再次使用
	//....

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	printf("%d\n", sizeof(struct S));

	return 0;
}

调试一下，看看空间大小如何

malloc的空间,58-30=28(16进制)，换成十进制刚好为40，刚好是10int的字节大小

柔性数组的优势 

方案一:柔性数组的方案

#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>

//柔性数组
struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n",strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for ( i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}
	//调整arr数组的大小(注意这是重新改变大小，不是说在原来空间后面增加，比如说原来是48，那么现在就是88)
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("%s\n,sterror(error)");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//再次使用
	//....

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	printf("%d\n", sizeof(struct S));

	return 0;
}

描述:

malloc 1次 ，free 1次

方案二:结构中指针方案

定义一个指针变量指向一块新的区域,像下面这样

图解: 

 代码实现✨

struct S
{
	int n;
	char c;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc2");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ",ps->arr[i]);
	}
	//扩容 - 调整arr的大小
	ptr = realloc(ps->arr,20*sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

描述: 

malloc 2次，free 2次

        上面的方案一和方案二谁的优势更优呢,显然是方案一。

个人的理解:

        从写代码的方面来说，malloc越多，free的越多，空间的维护难度就更高，所以

        方案一实现起来更加简单，空间维护更加简单，容易维护空间，不易出错

        方案二来说,一旦忘记free一次的话,可能会导致内存泄漏等问题，所以维护难度加大，容易出错

        还有区别就是:

        在堆区上申请内存的话，每一次malloc申请的空间，第二次malloc申请的空间跟第一次申请的空间在地址上不一定是连续的,随机性很高，随着malloc申请的数量越多，那么在内存和内存之间留下的空隙就会越多，这种空隙我们叫做为内存碎片

         因为这种内存碎片空间大小比较小一些，那么未来可能被利用到的概率就会比较低一些，所以说，内存碎片越多，那么内存利用率就会越低

总结

①方案一:malloc次数少，内存碎片就会较少，内存的使用率就较高一些

②方案二:malloc次数多，内存碎片就会增多，内存的使用率就下降了

上述 方案 1 和 方案 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)

         本文结束，如有错误，欢迎指正，感谢支持！

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