动态内存管理函数的使用与优化技巧(内存函数、柔性数组)(上)

简介: 动态内存管理函数的使用与优化技巧(内存函数、柔性数组)(上)

前言

动态内存管理函数是C语言中非常重要的一部分,也是程序员必须掌握的技能之一。本文将介绍动态内存管理函数的基本原理和使用方法,帮助读者更好地理解和应用这些函数。


一、动态内存函数

为什么存在动态内存分配

我们目前所了解的内存开辟方式有:

int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节
char 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:

  • 空间开辟大小是固定的。
  • 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。

动态内存函数介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数,函数原型如下:

void* malloc (size_t size);

这个函数向内存堆区申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的指针。

说起堆区,这里向大家简单科普一下计算及内存分部(不全):

 

  • 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。

malloc函数申请的内存空间,当程序退出时才会还给操作系统。程序不退出,动态申请的空间不会还给操作系统。

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

  • 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。

举个例子:

malloc和free全都包含在stdlib.h头文件中

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);//40为字节数
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d\n", *(p + i));
  }
  free(p);
    p=NULL;//p指向的空间被释放后,要将p置为NULL
  return 0;
}

malloc函数的返回类型为void*,所以 malloc函数并不知道开辟空间的类型,这需要使用者根据数据类型自己决定。

那malloc又是如何为p开辟空间的呢?

它们的内存分布关系如下:

这里我们注意p,p是局部变量存放在栈区,p中存放的是在堆区动态开辟的空间地址(连续的空间),通过p来访问开辟的空间。

此外malloc申请到空间后,直接返回这片空间的起始地址,不会初始换空间内容。

calloc

除此之外,C语言还提供了一个函数叫 calloc , calloc 函数也用来动态内存分配。原型如下:

void* calloc (size_t num, size_t size);

函数的功能是:

  1. 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。
  2. 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。

举个例子:

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d\n", *(p + i));
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

通过调试我们也可以观察到:

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。

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,那为了合理的使用内存,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);
  • 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,同时也会释放掉旧空间。

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,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:原有空间之后没有足够大的空间,原有空间之后没有足够多的空间时,就会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。

举个例子:

int main()
{
  //开辟空间
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  //初始化为1~10
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p[i] = i + 1;
  }
  //扩容空间
  int* ptr =(int*) realloc(p, 80);
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  //输出
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  //释放空间
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

在扩容空间时需要注意realloc是否扩容成功,切勿直接将realloc返回值赋给p,这样可能会导致原先空间的数据丢失。

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