动态内存管理 --- C语言

简介: 动态内存管理 --- C语言

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
int 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.空间开辟的大小是固定的。

2.数组在声明的时候,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内存开辟了。


2.动态内存函数的介绍

要使用动态内存开辟,我们就有会使用相关的函数,有四个:malloc , calloc , realloc , free 要包含头文件 <stdlib.h> 


2.1 mallocfree

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的行为是标准是未定义的,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。

  1. 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
  2. 如果参数ptr是NULL指针,则函数什么事都不做。


malloc和free都声明在<stdlib.h> 头文件中。举个例子︰

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>//malloc
int main()
{
  //存放整形  
  int* p = (int*)malloc(20);//申请20个字节的空间,将 void* 强制类型转换为(int*)
  if (p == NULL)//如果申请失败,返回空指针
  {
    //开辟失败
    printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
    return 1;
  }
  //使用
  int i = 0;
  //不初始化的话,在堆区都是0xcd 
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    *(p + i) = i+1;//初始化
  }
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));//打印
  }
  //释放
  free(p);//free不会让p置空,只是p指向的空间不再属于我们
  p = NULL;//置空p
  return 0;
}


2.2 calloc

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(alloc 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)。

示例:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
  }
  for (int i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ",p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}


calloc 会将开辟空间的每个比特位初始化为0

calloc 和 malloc 区别

1.参数不同

2.都是在堆区上申请空间,但是malloc不初始化,calloc会初始化为0

3.因为 malloc 不初始化,所以效率会比较高,在使用时要看具体情况。

2.3 realloc

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。函数原型如下:

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

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


图示:



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∶


  1. 在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。
  2. 将原来空间的数据拷贝到新的空间,新开辟的新空间不会被赋初值。
  3. 释放旧的空间。
  4. 返回的是一个新空间的地址。

由于上述的两种情况,realloc函数的使用就要注意一些。举个例子∶

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    //该开始空间是20个字节
  int* p = (int*)malloc(20);
  if (p == NULL)
  {
    printf("malloc:%s\n", strerror(errno));
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    p[i] = i + 1;//赋初值
  }
  //将p指向的空间调整为40字节大小
  int* ptr = (int*)realloc(p, 40);
  //调整空间失败,会返回空指针,所以要用临时变量来接受
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
    //使用
    for (i = 5; i < 10; i++)
    {
      p[i] = i + 1;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
      printf("%d ", p[i]);
    }
  }
  else
  {
    printf("realloc:%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意:

当我们调整空间时,可能会调整空间失败,这时我们就要创建一个新的临时变量来接收这个地址,不能直接拿原来空间的地址来接受。这样是为了当空间创建失败时不会影响原来的数据。

realloc 也可以像 malloc 一样申请空间

realloc 第一个参数可以是空指针NULL,这时他的作用与 malloc 的作用相同

int main()
{
  int* p = (int*)realloc(NULL, 20);//malloc(20)
  return 0;
}


3.常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

#include<stdio.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(20);
  //可能会出现对空指针的解引用操作
  //所以对malloc函数的返回值要判断
  if (p == NULL)
  {
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    p[i] = i;
  }
  free(p);
  return 0;
}

2.对动态开辟的内存空间越界访问

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(20);
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }
  int i = 0;
  //越界访问 只能访问5个int
  for (i = 0; i < 10; i++)//访问了10个int,错误
  {
    p[i] = i;
  }
  free(p);
  return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

#include<stdio.h>
int main()
{
  int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };
  int* p = arr;
  free(p);
  p = NULL;//错误
  return 0;
}

4.使用free只释放一块动态开辟内存的一部分

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    *p = i + 1;
    p++;
  }
  //p不是开辟空间的首地址
  free(p);//错误
  p = NULL;
  return 0;
}

5.对同一块动态内存多次释放

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));
    return 1;
  }
  //释放一块空间后不能再释放
  free(p);
  free(p);//错误
  p = NULL;
  //而释放空指针,什么都不会发生,所以释放完要置空
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

6.动态开辟的内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
  int* p = (int*)malloc(20);//出了函数也不会回收内存,这片空间再也找不回来了
  //局部变量p函数调用结束会释放
  //释放后找不到这块空间
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

malloc,calloc,realloc,所申请的空间,如果不想使用,需要free释放

如果不释放,程序结束后,也会由操作系统回收

如果不使用free释放空间,程序也不结束

会内存泄露,这片空间一直不使用,等于浪费掉了

4.几个经典笔试题

题目1:

void GetMemory(char* p)
{
  p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);
}

错误点:


1.调用GetMemory函数的时候,str传参为值传递,p是str的临时拷贝,

所以在GetMemory函数的内部将动态内存开辟的地址放在p中的时候,不会影响str

所以GetMemory函数返回之后,str中依然是NULL指针,strcpy函数就会调用失败,

原因是对NULL的解引用操作,程序会崩溃


2.GetMemory函数内容malloc申请的空间没有机会释放,造成了内存泄漏


3.没有判断是否开辟空间成功


注意:


printf(str) 与 printf("hello world") 等价,因为str是常量字符串的首字节地址。

char* str = "hello world";
printf("hello world");
printf(str);
printf("%s\n",str);
printf("%s\n","hello,world");

题目2:

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

错误点:

1.返回栈空间地址的问题

GetMemory函数内部创建的数组是临时的

虽然返回了数组的起始地址给str

但是数组的内存出了函数就会回收

而str依然保存了数组的起始地址,这时如果使用了str,str就是野指针

2.没有判断开辟空间是否成功

题目3:

void Test(void)
{
    char *str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str,"hello");
    free(str);
    if(str != NULL)
    {
        strcpy(str,"world");
        printf(str);
    }
}

错误点:

1.没有判断开辟空间是否成功

2.释放完空间没有置空,str为野指针

题目4:

void GetMemory(char **p,int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str,100);
    strcpy(str,"hello");
    printf(str);
}

错误点:

1.没有释放动态开辟的内存

2.没有判断开辟空间是否成功

5.C/C++程序的内存开辟分区

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。


⒉.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。


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。


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,可改为:

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
}type_a;


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。


代码1:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
struct S
{
  int n;
  char c;
  int arr[];//或 int arr[0];  柔性数组成员
  //大小可以是未知的
};
int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S));//8 最大对齐数的整数倍,不包括柔性数组的大小
  //                                 8 n和c的空间        40  柔性数组的内存
  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;//赋值
  }
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", ps->arr[i]);//打印
  }
  //调整柔性数组arr的大小
  struct S *ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
  if (ptr == NULL)
  {
    printf("realloc:%s", strerror(errno));
  }
  else
  {
    ps = ptr;
  }
  //释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

上面的柔性数组 也可以设计为 结构体中指针方式

代码2:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
struct S
{
  int n;
  char c;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (ps == NULL)
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
    //perror();
    return 1;
  }
  int* ptr = (int*)malloc(40);
  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
  ptr = (int*)realloc(ps->arr,80);
  if (ptr == NULL)
  {
    perror("malloc3:");
    return 1;
  }
  else
  {
    ps->arr = ptr;
  }
  for (i = 10; i < 20; i++)
  {
    ps->arr[i] = i;//给新开辟的空间赋值
  }
  //打印
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    printf("%d ", ps->arr[i]);
  }
  free(ps->arr);
  ps->arr = NULL;
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}

柔性数组的好处:


上述代码1和代码2可以完成同样的功能,但是代码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)


总结:


柔性数组需要 malloc 一次,free 一次,而结构体中指针的方式需要使用 malloc free 各两次。


malloc 越多,内存碎片就越多,内存使用率就会下降,访问速度也会下降。


本篇结束

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