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    HyDraZya的博客:【C语言进阶】动态内存管理/分配

    作者:[db:作者] 时间:2021-09-06 19:00

    C语言动态内存分配篇

    目录

    一、为什么存在动态内存管理/分配?

    ????????内存的存储形式划分

    二、动态内存函数的介绍

    ????????malloc

    ????????free

    ????????malloc和free的实际应用

    ????????calloc

    ????????realloc

    三、常见的动态内存错误

    ????????对NULL指针的解引用操作

    ????????对动态开辟的空间越界访问

    ????????对非动态开辟内存使用 free 释放

    ????????使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

    ????????对同一块动态内存的多次释放

    ????????动态开辟内存忘记释放(导致内存泄露)

    四、C/C++程序的内存开辟

    五、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


    一、为什么存在动态内存管理/分配?

    (1)因为内存太宝贵。

    (2)如果全部是静止内存不能释放,对于小的程序可以运行完毕。但是对于大的程序,还没运行完,内存就要被占用完,此时就要发生内存泄露。

    (3)假设给定一个占用内存可变大小的变量(假设是数组的长度len),那么给该变量通过函数动态分配内存后,分配内存的大小是根据数组的长度len决定的。假定用户输入len的大小是5,系统就会动态的给该数组分配长度为5的内存。? 该段代码运行结束后,系统调用free()函数释放分配的内存,然后接着运行剩下的程序。

    换句话说,动态分配内存可以根据需要去申请内存,用完后就还回去,让需要的程序用。

    我们先看个例子:

    int a = 20;        //局部变量 在栈区上开辟四个字节
    char ch[10] = {0}; //局部变量 在栈空间上开辟10个字节的连续空间
    int g_a = 10;      //全局变量 在静态区上开辟十个字节

    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。?


    内存的存储形式划分


    二、动态内存函数的介绍

    ? ?malloc

    • 专门用来动态内存开辟的函数
    //函数原型
    void *malloc (size_t size);
    //void*  表示任意类型的指针
    //size_t 表示的是unsigned int(无符号整型)
    //size   表示所要开辟的空间单位是字节
    

    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。
    • 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 的行为是标准是未定义的,取决于编译器。

    ? ?free

    • 专门用来做动态内存的释放和回收的函数
    //函数原型
    void free(void *ptr);
    //void *prt 表示所要释放的指针类型

    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。

    ?malloc和free的实际应用

    代码如下:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
    	//1.通过动态开辟申请10个int类型的空间
    	//根据实际使用强制类型转换为想要的类型
    	int *p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    	//2.malloc有可能申请空间失败,所以需要判断一下
    	if (p == NULL)//判断p指针是否为空
    	{
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    	}
    	else
    	{
    		//正常使用空间
    		int i = 0;
    		for (i = 0; i < 10; i++)
    		{
    			*(p + i) = i;
    		}
    		for (i = 0; i < 10; i++)
    		{
    			printf("%d ", *(p + i));
    		}
    	}
    	//当动态申请的空间不再使用的时候,就应该还给操作系统
    	free(p);//释放p所指向的动态内存
    	p = NULL;//是否有必要
    	return 0;
    }

    执行结果:

    思考:

    p = NULL;?是否有必要加上?

    解答:

    由于 free 完后本身是不会置为空指针的,因此我们需要手动将其变为空指针,所以p = NULL是有必要的。


    ? ?calloc

    • 能够让动态分配在申请空间的同时就进行初始化的函数
    //函数原型
    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

    例:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
    	int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    	if(p == NULL)
    	{
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    	}
    	else
    	{
    		int i = 0;
    		for(i = 0; i < 10; i++)
    		{
    			printf("%d ", *(p + i));
    		}
    	}
    	//free函数用来释放动态开辟的空间
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

    执行结果:

    总结: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。而 calloc 函数会将所申请到的内存空间全部初始化成 0?,意味着 callocmalloc 运行时间更长,所以在选择这两个函数时可以根据是否需要初始化来选择。


    ? ?realloc

    • 能够将动态内存灵活分配的函数
    • 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
    void *realloc(void *ptr, size_t size);
    //void *ptr   表示被调整的指针指向的地址
    //size_t size 表示改变之后的空间内存大小,单位是字节
    • ptr 是要调整的内存地址
    • size 调整之后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

    图解:?

    ??

    例:?

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
    	int *p =(int*)malloc(20);
    	if(p == NULL)
    	{
    		printf("%s\n", strerror(errno));
    	}
    	else
    	{
    		int i = 0;
    		for(i = 0; i < 10; i++)
    		{
    			printf("%d ", *(p + i));
    		}
    	}
    	//上方仅仅只是在使用malloc开辟的20个字节空间
    	//假设这里,20个字节空间不能满足我们的需求了
    
    	//希望能够有40个字节的空间
    	//这里就可以使用realloc来调整动态开辟的内存
    	int *ptr = realloc(p, INT_MAX);
    	if(ptr != NULL)
    	{
    		int i = 0;
    		for(i = 5; i < 10; i++)
    		{
    			*(p+i) = i;
    		}
    		for(i = 0; i < 10; i++)
    		{
    			printf("%d ", *(p + i));
    		}
    	}
    	//释放动态开辟的内存空间
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

    realloc 函数的注意事项:

    1.如果 p 指向的空间有足够的的内存空间可以追加,则直接追加,后返回 p

    2.如果 p 指向的空间之后没有足够的内存空间可以追加,则 realloc 函数会重新找一个新的内存区域,开辟一块满足需求的空间,并且把原来内存中的数据拷贝回来,释放旧的内存空间,最后返回新开辟的内存空间地址,而旧的那块内存空间需要赋空指针,不然会形成野指针,造成非法访问。

    3.得用一个新的变量去接收 realloc 函数的返回值

    注:以上四种函数头文件均使用 stdlib.h 头文件!

    三、常见的动态内存错误


    • 对NULL指针的解引用操作

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	int *p = (int*)malloc(40);
    	//万一malloc失败了,p就会被赋值为NULL
    	//*p = 0;//error
    	int i = 0;
    	for(i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		*(p+i) = i;//非法访问
    	}
    
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

    • 对动态开辟的空间越界访问

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));//只有5个元素
    	if( p == NULL)
    	{
    		return 0;
    	}
    	else
    	{
    		int i = 0;
    		for(i = 0; i < 10; i++)//只有5个元素,循环10次,会造成越界访问
    		{
    			*(p+i) = i;
    		}
    	}
    
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

    • 对非动态开辟内存使用 free 释放

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	int a = 10;
    	int *p = &a;
    	*p = 20;
    
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }

    • 使用 free 释放一块动态开辟内存的一部分

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	int *p = (int*)malloc(40);
    	if(p = NULL)
    	{
    		return 0;
    	}
    	int i = 0;
    	for(i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		*p++ = i;
    	}
    	//此时p指向的不是动态开辟出的起始位置了
    	
    
    	//回收空间,free只能释放动态开辟出的起始位置
    	free(p);
    	p = NULL;
    	return 0;
    }
    

    • 对同一块动态内存的多次释放

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	int *p = (int*)malloc(40);
    	if(p == NULL)
    	{
    		return 0;
    	}
    
    	//使用
    	free(p);
    	//p = NULL 需要定义为空指针才能引用下面的free
    	free(p);//重复释放
        return 0;
    }
    

    • 动态开辟内存忘记释放(导致内存泄露)

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    
    int main()
    {
    	while(1)
    	{
    		malloc(1);//开辟完空间后一直没有释放
    	}
    	return 0;
    }

    注:忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏,动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放

    四、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。

    五、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:

    typedef struct S
    {
    	int n;
    	int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
        //int arr[] 同上
    }S;

    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:?

    #include <stdio.h>
    typedef struct S
    {
    	int n;
    	int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
    }S;
    
    int main()
    {
    	struct S s;
    	printf("%d\n", sizeof(s));
    	return 0;
    }

    执行结果:


    柔性数组的使用

    例:

    #include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    typedef struct S
    {
    	int n;
    	int arr[0];//未知大小的-柔性数组成员-数组的大小是可以调整的
    }S;
    
    int main()
    {
    	struct S *ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S)+5*sizeof(int));
    	ps->n = 100;
    	int i = 0;
    	for(i = 0; i <5; i++)
    	{
    		ps->arr[i] = i;//0 1 2 3 4 
    	}
    
    	struct S *ptr = realloc(ps, 44);
    	if(ptr != NULL)
    	{
    		ps = ptr;
    	}
    	for(i = 5; i < 10; i++)
    	{
    		ps->arr[i] = i;
    	}
    	for(i = 0; i < 10; i++)
    	{
    		printf("%d ", ps->arr[i]);
    	}
    
    	free(ps);
    	ps = NULL;
    	return 0;
    }

    执行结果 :

    图解:


    柔性数组的优势

    我们来看一下这段代码比起上一段代码的优势?

    优势一:方面内存释放

    • 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。

    优势二 : 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)

    cs
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