C语言——动态内存管理

简介: C语言——动态内存管理

前言:

我们一般开辟内存是直接开辟空间,开辟了空间就不会改变了,为了更节约空间,避免浪费空间,我们可以动态的开辟空间。这样,空间用完了,我们可以扩充空间。


一、为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式:


int vai=10; / /在栈空间上开辟四个字节。

int arr[10]={0}; / /在栈空间上开辟40个字节的连续空间。

特点:


1.空间开辟大小是固定的。

2.数组在申明的时候,必须指定长度,才能在编译的时候分配空间。

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只有在程序运行的时候才会知道,数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。

二、动态内存函数

关于动态内存函数的知识,可以参考我的另一篇文章动态内存函数详解

2.1malloc函数

void* malloc(size_t size);


malloc函数向内存申请一块连续可用的空间,返回指向这个空间的指针。

malloc函数申请到空间后直接返回这块空间的起始地址,不会初始化空间的内容。

malloc申请的空间,当程序退出时,还给操作系统,当程序不退出,动态申请的内存,不会主动释放,需要用free函数来释放

2.2calloc函数

void* calloc(size_t num , size_t size) ;

calloc函数也可以申请动态内存空间。并且给空间初始化为0。


2.3realloc函数

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

realloc函数可以申请动态内存空间,使动态内存空间管理更灵活。


2.4free函数

void* free (void* ptr ) ;

free函数只能释放动态开辟的内存。


三、常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针解引用操作

可能运行成功

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    *p = 20;//如果p的值是NULL就会有问题
    free(p);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

解决方法:需要对空指针进行判定(空指针不能被赋值,就是p为空不能解引用)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    *p = 20;//如果p的值是NULL就会有问题
    free(p);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

越界访问系统会崩溃

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int i = 0;
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;//当i=10时,越界访问
    }
    free(p);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

解决:因为要访问的空间存在越界问题,那么我们就让它不越界访问

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int i = 0;
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    for (i = 0; i < 10; i++)//改为i < 10
    {
        *(p + i) = i + 1;
    }
    free(p);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

程序崩溃

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    //释放非动态开辟内存空间有问题
    free(p);//不行,运行程序系统崩溃
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

解决方法:非动态开辟的内存不要用free函数释放

3.4 使用free释放动态开辟内存的一部分

系统崩溃

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }
    //释放
    free(p);//p不在指向动态内存的起始位置
    p = NULL;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

解决问题:动态开辟内存起始位置不能乱使用,释放的时候要从起始位置全部释放(开辟的一块连续的空间)

p++;(这里p不是指向开辟空间的起始位置,释放的是后面的一部分,前面没有释放,程序崩溃了。)

3.5 对同一块内存多次释放

程序崩溃了,不允许这么操作。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    //使用
    //释放
    free(p);
    //释放
    free(p);//重复释放,程序就崩了
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

解决方法:第一次释放结束,把p置NULL,下一次释放,释放空指针,啥事都不干。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    //使用
    //释放
    free(p);
    //释放结束,把p置空
    p = NULL;
    //释放
    free(p);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

找不到p,没有释放技术内存泄漏

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return;
    }
    *p = 20;
}
int main()
{
    test();
    //回来之后,p被销毁
    while (1);
    return 0;
}

把100个字节空间的起始地址赋值给p。

p是函数里的局部变量。

出了这个函数p被销毁,找不到这100个字节的空间了,但是这100个字节的空间还在。

解决方法:只有两种方式可以销毁。


free函数释放。

程序结束(退出)

注意:

动态申请的内存空间不会因为出了作用域就自动销毁,也·不会把内存还给操作系统。


四、几个经典的例子

题目1:

存在两个问题

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void Getmemory(char* p)
{
    p = (char*)malloc(100);//没有释放空间,存在内存泄漏的问题
}
void test()
{
    char* str = NULL;
    Getmemory(str);
    strcpy(str, "hello world");//不能对空指针进行解引用操作,程序会崩溃。
    printf(str);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

题目2:

存在一个问题

#include <stdio.h>
#include <string.h>
char* Getmemory()
{
    char p[] = "hello world";//函数结束,内存释放,空间还给操作系统。
}
void test(void)
{
    char* str = NULL;
    str=Getmemory();//记住了地址,却找不到数据(这是个野指针,它非法访问)
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

题目3:

存在一个问题

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void Getmemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
}
void test(void)
{
    char* str = NULL;
     Getmemory(&str,100);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);
    //内存泄漏
    //free(str);
    //str=NULL;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

题目4:

存在一个问题

#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
void test(void)
{
    char* str =(char*) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//内存被释放,str成为野指针。
    if (str != NULL)//肯定成立
    {
        strcpy(str, "world");//非法访问
        printf(str);
    }
    printf(str);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

五、c/c++程序的内存分配

初步了解c/c++中内存区域的划分:

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。

注意:

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static修饰的变量生命周期变长了。


六、柔性数组

结构体中,最后一个成员是数组或者是指针,他们是有区别的。

c99中,结构体的最后一个成员可以是未知大小的数组,这叫柔性数组的成员。

结构体:

typedef struct st
{
    int i;
    int arr[];  
}ts;

6.1柔型数组的特点

结构体中柔性数组前面必须至少有一个其他成员。

sizeof返回的这种结构的大小不包括柔性数组的内存。(只计算柔性数组前面成员的大小)

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。

如:

ts* ps = (ts*)malloc(sizeof(ts) + 40);

6.2 柔性数组的使用

int main()
{
int i = 0;
ts* p = (ts*)malloc(sizeof(ts) + 100 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
    perror("malloc");
    return 0 ;
}
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
    p->arr[i] = i + 1;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}

柔性数组成员a,相当于获得了100个整型元素的连续空间

6.3柔性数组的优势

代码1:、

int i = 0;
ts* p = (ts*)malloc(sizeof(ts) + 100 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
    perror("malloc");
    return 0 ;
}
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
    p->arr[i] = i + 1;
}
free(p);
p = NULL;

代码2:

typedef struct st
{
    int i;
    int* p;
}ts;
ts* ps = (ts*)malloc(sizeof(ts));
ps->i = 100;
ps->p = (int*)malloc(ps->i * sizeof(int));
for (i = 0; i < 100; i++)
{
    ps->p[i] = i + 1;
}
//释放空间
free(ps->p);//先释放里面
ps->p = NULL;
free(ps);//后释放外面
ps = NULL;

上面代码1和代码2可以完成相同的功能,但是代码1的实现有两种好处。

第一个好处: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: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。

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