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:
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:
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; }
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; }
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。
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; }
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。
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
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
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)