动态内存管理

简介: 动态内存管理

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 a = 0 ;//在栈空间上开辟四个字节
char b = 0 ;//在栈空间上开辟一个字节
int arr[10] = { 0 } ;//在栈空间上开辟10*4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存开辟了。


2.动态内存函数的介绍


2.1malloc和free


C语言提供了一个动态开辟的函数:

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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。

此外,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:

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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都声明在 stdlib.h 头文件中。


malloc 和 free需要相结合使用,实例:

int main() 
{
  //开辟空间
  int* p = (int*)malloc(40);//使用malloc在堆区开辟40个字节的空间
  //malloc的返回值为void* 我们要根据自己的需求 进行强制类型转化
  //判断是否开辟成功
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");//如果开辟失败,打印开辟失败的原因
  }
  //对开辟空间的使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  //释放所开辟的空间
  free(p);
  p = NULL;//必须将p置为空指针
  return 0;
}


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我们在尝试下开辟很大的空间

int main() 
{
  int* p = (int*)malloc(10000000000000);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
        return 1;
  }
  else
  {
    free(p);
    p = NULL;
  }
  return 0;
}


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这就是perror的作用;


2.2calloc


C语言还提供了一个函数叫calloc,calloc函数了用来动态内存分配。

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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。

实例:

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  //没有对这份空间中的内容初始化,直接使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}


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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。


2.3realloc


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。

1feabb74b3eb411bbc91d34eeca389bb.png

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

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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:在堆空间上另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。

由于上述的两种情况,realloc函数的使用就要注意一些。


int main()
{
  //开辟空间
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  else 
  {
    //使用空间
  }
  //发现原有空间不够用
  p = (int*)realloc(p, 80);
  //这种写法是错误的,对于情况2就不适用
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
  if (*ptr != NULL);
  {
    p = ptr;
  }
  //使用结束,释放空间
  free(p);
  //将指针p置空
  p = 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);
  //INT_MAX表示为int的最大值,不可能申请这么大的空间 p一定为空指针
  *p = 20;//对空指针进行解引用
  free(p);
  p = NULL;
}


3.2对动态开辟空间的越界访问


int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
//从i=10;时就开始越界访问
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}


3.3对非动态开辟内存使用free释放


int main()
{
  int a = 0;
  int* p = &a;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}


3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分


int main()
{
  int* p = (int*)malloc(10);
  p++;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}


3.5对同一块动态内存多次释放


int main()
{
  int* p = (int*)malloc(10);
  free(p);
  free(p);
  return 0;
}


3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)


int main()
{
  int* p = (int*)malloc(10);
  if (p != NULL)
  {
    *p = 10;
  }
  return 0;
}


忘记释放不再使用的动态内存开辟的空间会造成内存泄漏。

切记:动态开辟的内存一定要示范,并且正确释放


5.c/c++程序的内存开辟


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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。

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


实例:

struct stu
{
  int a;
  int arr[];
};


这就是一个柔性数组


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。


6.2柔性数组的使用


struct stu
{
  int a;
  int arr[];
};
int main()
{
  //开辟40个字节空间
  struct stu* ps = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + 40);
  if (ps == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  ps->a = 100;
  //使用空间
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    ps->arr[i] = i + 1;
  }
  //空间不够增容
  struct stu* ptr = realloc(ps, sizeof(struct stu) + 60);
  if (ptr == NULL)
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  ps = ptr;
  ps->a = 15;
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d \n", ps->arr[i]);
  }
  //释放
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}


6.3柔性数组的优势


上面的柔性数组也可以设计为:

struct str
{
  int a;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct str* ps = (struct str*)malloc(sizeof(struct str));
  if (ps == NULL)
  {
    perror("malloc");
  }
  ps->a= 100;
  ps->arr = (int*)malloc(40);
  if (ps->arr == NULL)
  {
    perror("malloc ps->arr");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    ps->arr[i] = i + 1;
  }
  int* ptr = realloc(ps->arr, 60);
  if (ptr != NULL)
  {
    ps->arr = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d \n", ps->arr[i]);
  }
  free(ps->arr);
  ps->arr = NULL;
  free(ps);
  ps = NULL;
  return 0;
}


上述两端代码都可以完成同样的功能,但是方法一的实现有两个好处:


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)

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