『C语言进阶』动态内存管理

简介: 『C语言进阶』动态内存管理

前言

看到今天的主题动态内存管理,相信很多小伙伴心中有这样一个疑惑:为什么存在动态内存分配?那是因为现在我们掌握的内存开辟方式开辟的空间都是固定的,但是对于空间的需求,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。 这时候就要使用动态内存开辟了。


一、动态内存函数的介绍

1.1 malloc和free函数

函数功能:

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。

头文件:

#include<stdlib.h>
• 1

malloc函数的应用:

//开辟一个有10个元素的数组
int* p = (int*)malloc(40);
if (p == NULL)
{
  perror("malloc");
  return 1;
}

注意:

  • 如果开辟成功,则返回一个指向这块空间的指针(起始地址),不会初始化空间的内容
  • 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的行为是标准未定义的,取决于编译器

函数功能:

专门用来做动态内存的释放和回收

头文件:

#include<stdlib.h>

free函数的应用:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  //开辟一个有10个元素的数组
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

注意:

  • free只能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
  • 使用free函数释放空间后,p指向这块空间没用了,就变成野指针,所以我们要在释放空间后,将p置为空指针
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error
p = NULL;

1.2 calloc函数

函数功能:

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

头文件:

#include<stdlib.h>

calloc函数的应用:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
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 ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

运行结果:

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

注意:

calloc函数与malloc函数的区别只在于calloc会在返回地址之前把申请的空间的每个字节都初始化为0

1.3 realloc函数

函数功能:

  1. realloc函数让动态内存管理更加灵活
  2. 有时我们发现过去申请的空间太小了,有时我们又会觉得申请的空间过大了,那为了合理的内存,我们会对内存大小做灵活的调整,那realloc就可以做到对动态内存大小的调整

头文件:

#include<stdlib.h>
• 1
  1. ptr是要调整的内存地址
  2. size调整之后新的大小
  3. 返回值为调整之后的内存起始地址
  4. 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函数的应用:

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p[i] = i + 1;
  }
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;
  }
  else
  {
    perror("realloc");
  }
  //打印数据
  for (i = 0; i < 20; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

运行结果:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451 -842150451

这个函数也会出现增容失败的时候(返回空指针,意思空间被释放,会导致原来的空间也被释放)所以不能把返回的指针直接放在原来的指针变量里,应该再定义一个指针变量存放返回地址,先判断是否空指针(增容失败),不是空指针再赋值给p

realloc在调整内存空间的两种情况:

  • 原有的空间后面的空间足够,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
  • 原有的空间后面的空间不够,在堆空间另找一个合适大小的连续空间来使用,把旧的数据拷贝到新的空间中,会将旧空间释放掉,返回新的地址

二、常见的动态内存错误

2.1 对NULL指针的解引用

void test()
{
     int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
     *p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
     free(p);
}

如果空间开辟失败返回空指针,我们对空指针解引用,程序就会出现错误,所以我们要判断返回的是否为空指针

代码修改:

int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
    *p=20;
    free(p);

2.2 对动态开辟空间的越界访问

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

只有10个整型的空间,却访问了11个整型的空间,越界访问

2.3 对非动态开辟内存使用free释放

int a = 10;
int* p = &a;
free(p);     //error:非动态开辟,不可以释放
p = NULL;

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p++;
  free(p);//p不再指向动态内存的起始位置,不可以释放,必须从起始位置释放
  p = NULL;
  return 0;
}

2.5 对同一块动态内存多次释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 free(p);//重复释放
}

不可以重复释放(当把p赋值为空指针后再释放是可以的)

2.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (NULL != p)
    {
        *p = 20;
    }
    //记得要释放
}
int main()
{
    test();
    //在这里释放不可以
    return 0;
    //或者把函数test的返回值改为int* ,在主函数接受一下,这样就可以在主函数释放
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁

两种销毁方式:

  1. free
  2. 程序结束

三、经典例题分析

3.1 题目1

void GetMemory(char* p)
{
  p = (char*)malloc(100);
  //没有释放
  //并没有返回任何值,也没有改变str的值
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  //常量字符串传递的是h的地址,所以是正确的
  //str是空指针,在这里是非法访问,程序会崩溃
  printf(str);//写法正确,但这一步之前程序已经崩溃
}
int main()
{
  Test();
  return 0;
}

运行结果:程序崩溃

1.对NULL指针进行解引用操作,程序会崩溃

2.没有释放空间,存在内存泄漏问题

3.2 题目2

char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;
}
//出作用域后p销毁,开辟的空间还给操作系统
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();//str变成野指针,再去访问这块空间就是非法访问,结果是随机值
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

可以用static修饰变量p,使p的声明周期变长

3.3 题目3

void GetMemory(char** p, int num)
{
    *p = (char*)malloc(num);
    //没有释放
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

3.4 题目4

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//空间释放后,要赋值为空指针
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");//非法访问(空间被释放,还给操作系统,没有使用的权利,如果使用,就是野指针越界访问
        printf(str);
    }
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

四、C/C++程序的内存开辟

  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. 码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。

实际上普通的局部变量实在栈区分配空间的,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修饰的变量存在数据段(静态区),数据段的特点使在上面创建的变量,直到程序结束才销毁,所以生命周期长


五、柔性数组

5.1 什么是柔性数组

C99中,结构体中的最后一个元素允许是未知大小的数组,这就加柔性数组成员

写法一:

struct s1
{
    int n;
    int arr[0];//大小是未指定的,并不是0
};

写法二:

struct s1
{
    int n;
    int arr[];
};

5.2 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。
struct S
{
    int i;
    int a[0];
};
int main()
{
    printf("%d\n",sizeof(S));
    return 0;
}

运行结果:

4

柔性数组大小未知,无法计算大小

5.3 柔性数组的使用

我们开辟好空间后,发现空间不够用,可以使用realloc增容

写法一:

struct S
{
  int n;
  int arr[];
};
int main()
{
  struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p->n = 100;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p->arr[i] = i + 1;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
}

写法二:

struct S
{
  int n;
  int* arr;
};
int main()
{
  struct S* p = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
  if (p == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  p->n = 100;
  p->arr = (int*)malloc(40);
  if (p->arr == NULL)
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p->arr[i] = i + 1;
  }
  //增容
  int* ptr = (int*)realloc(p->arr,   60);
  if (ptr == NULL)
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  p->arr = ptr;
  for (i = 0; i < 15; i++)
  {
    printf("%d ", p->arr[i]);
  }
  //释放
  free(p->arr);
  p->arr = NULL;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

要先释放里面的,再释放外面的。如果先把p释放了,就找不到arr的地址了。

总结:

代码一相对于来说比较好:(1)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。 (2)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。

(代码二:开辟和释放的次数多,容易出错;容易形成内存碎片)

5.4 柔性数组的优点

我们上面的代码二,可以完美的替代柔性数组的功能,却为什么还是创造除了柔性数组呢。在这就要说到柔性数组的优点:

1.内存方便释放

在柔性数组中,我们只使用了一次malloc,方法二中使用了两次malloc,容易造成忘记释放,没有都释放或释放顺序错误的问题。

2.访问速度快,节省空间

多次开辟空间,内存与内存之间的内存碎片会很多,不内存的利用率就会变低。同时,连续的内存有益于提高访问速度。


本次的内容到这里就结束啦。希望大家阅读完可以有所收获,同时也感谢各位铁汁们的支持。文章有任何问题可以在评论区留言,小羊一定认真修改,写出更好的文章~~

相关文章
|
3天前
|
程序员 C语言
C语言库函数 — 内存函数(含模拟实现内存函数)
C语言库函数 — 内存函数(含模拟实现内存函数)
6 0
|
14天前
|
编译器 C语言 C++
【C语言】memset()函数(内存块初始化函数)
【C语言】memset()函数(内存块初始化函数)
23 0
|
14天前
|
编译器 C语言 C++
【C语言】memcpy()函数(内存块拷贝函数)
【C语言】memcpy()函数(内存块拷贝函数)
36 0
|
23天前
|
存储 C语言
c语言中动态内存分配
c语言中动态内存分配
10 0
|
25天前
|
存储 编译器 Linux
c语言进阶(2)
c语言进阶(2)
26 0
|
5天前
|
存储 编译器 C语言
深入探索C语言动态内存分配:释放你的程序潜力
深入探索C语言动态内存分配:释放你的程序潜力
24 0
|
6天前
|
存储 测试技术 C语言
【C语言进阶】 假期测评③
【C语言进阶】 假期测评③
35 1
|
14天前
|
编译器 C语言 C++
【C语言】calloc()函数详解(动态内存开辟函数)
【C语言】calloc()函数详解(动态内存开辟函数)
23 0
|
14天前
|
存储 编译器 程序员
【C语言】内存的动态分配与释放
【C语言】内存的动态分配与释放
25 0
|
15天前
|
存储 编译器 程序员
【C语言】整形数据和浮点型数据在内存中的存储
【C语言】整形数据和浮点型数据在内存中的存储
12 0