C语言从入门到实战——动态内存管理

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简介: 在C语言中,动态内存管理是指程序运行时,通过调用特定的函数动态地分配和释放内存空间。动态内存管理允许程序在运行时根据实际需要来分配内存,避免了静态内存分配在编译时就确定固定大小的限制。

动态内存管理


前言

在C语言中,动态内存管理是指程序运行时,通过调用特定的函数动态地分配和释放内存空间。动态内存管理允许程序在运行时根据实际需要来分配内存,避免了静态内存分配在编译时就确定固定大小的限制。

C语言中动态内存管理主要通过以下两个函数来实现:

  1. malloc函数:malloc函数用于动态分配内存空间,其函数原型为void *malloc(size_t size)。该函数从堆中分配size个字节的连续内存空间,并返回指向该内存空间的首字节的指针。如果分配失败,则返回NULL
  2. free函数:free函数用于释放之前通过malloc函数分配的内存空间,其函数原型为void free(void *ptr)。该函数将ptr指针所指向的内存空间释放,并将该内存空间标记为可用,可以被后续的malloc函数重新分配。

使用mallocfree函数可以实现动态内存的分配和释放,但需要注意以下几点:

  1. 使用malloc函数分配内存后,需要检查返回值是否为NULL,以确保内存分配成功。如果返回值为NULL,说明内存分配失败。
  2. 在使用完动态分配的内存后,需要及时调用free函数释放内存空间,避免内存泄漏。
  3. 动态内存分配后,需要确保在不再使用该内存空间时释放内存,否则会造成内存泄漏,导致程序运行过程中内存不断被占用,最终导致系统内存耗尽。
  4. 动态内存分配的空间大小可以根据实际需要进行调整,灵活地满足程序的需求。

总的来说,C语言的动态内存管理能够提供灵活的内存分配和释放机制,可以有效地管理内存资源,提高程序的执行效率和可扩展性。但在使用过程中,需要注意合理分配和释放内存,并避免内存泄漏的问题。


一、 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有:

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,数组空间一旦确定了大小不能调整

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。

C语言引入了动态内存开辟,让程序员自己可以申请和释放空间,就比较灵活了。

二、 malloc和free

2.1 malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数:

void* malloc (size_t size);

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。

malloc生成的空间是在堆区

使用malloc开辟0空间是没有意义的,不同编译器会出现不同的结果

int * p = (int* )malloc(0);
if(p == NULL)
{
  perror("malloc : ");
  return 1;
  }

2.2 free

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 ptrNULL指针,则函数什么事都不做。

mallocfree都声明在 stdlib.h 头文件中。

举个例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int num = 0;
  scanf("%d", &num);
  int arr[num] = {0};
  int* ptr = NULL;
  ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
  if(NULL != ptr) //判断ptr指针是否为空
  {
  int i = 0;
    for(i=0; i<num; i++)
    {
      *(ptr+i) = 0;
    }
  }
  free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存
  ptr = NULL; //是否有必要?
  return 0;
}

free 会将开辟的空间返回,但是p 还是指向那个空间的起始位置,所以我们需要将p置为NULL,才保证不会出现野指针

释放空间
free(p);
p = NULL;

三、calloc和realloc

3.1 calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloccalloc 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。

举个例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if(NULL != p)
  {
    int i = 0;
    for(i=0; i<10; i++)
    {
      printf("%d ", *(p+i));
    }
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

输出结果:

0 0 0 0 0 0 0 0 0 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。

3.2 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。

函数原型如下:

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。
  • 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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
  int *ptr = (int*)malloc(100);
  if(ptr != NULL)
  {
    //业务处理
  }
  else
  {
    return 1;
  }
  //扩展容量
  //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
  ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); //这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
  //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中,不为NULL,在放ptr中
  int*p = NULL;
  p = realloc(ptr, 1000);
  if(p != NULL)
  {
    ptr = p;
  }
  //业务处理
  free(ptr);
  return 0;
}

realloc 使用要基于已开辟的空间,及被malloccallocrealloc开辟过,realloc除了开辟空间外,还可以实现和malloc一样的功能

int* p = (int* )realloc(NULL,100); //等价于int* p = (int* )malloc(100);
if(p == NULL)
{ 
  perror(" realloc :");
  }
 free(p);
 p = NULL;

在VS2022中,出现如图所示的情况,一般都是没有进行开辟空间没有判断,但也会出现编译器自己识别错误的原因,因为机器始终不是万能的,所有的事物都会出现一些bug。

四、常见的动态内存的错误

4.1 对NULL指针的解引用操作

没有对开辟空间是否为空进行判断

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);
}

4.2 对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
  int i = 0;
  int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
  if(NULL == p)
  {
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  for(i=0; i<=10; i++)
  {
    *(p+i) = i; //当i是10的时候越界访问
  }
  free(p);
}

4.3 对非动态开辟内存使用free释放

free函数只能释放堆区的内存,不能释放栈区的内存。根据引用和引用的内容,可以得出以下结论:

  1. free函数不能释放在栈上开辟的内存。因为栈上的内存是由系统自动管理的,不需要手动释放。
  2. free函数主要用于释放malloccalloc和realloc函数动态分配的堆内存。
  3. delete操作符一般用于释放new操作符动态分配的堆内存。

所以,free函数只能释放堆区的内存,不能释放栈区的内存。

void test()
{
  int a = 10;
  int *p = &a;
  free(p); //ok?
}

4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

系统释放空间的方式有两种:第一种是在栈区上,系统会在程序结束后自己释放,第二种便是堆区

void test()
{
  int *p = (int *)malloc(100);
  p++;
  free(p); //p不再指向动态内存的起始位置
}

4.5 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
}

4.6 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;
  }
}
int main()
{
  test();
  while(1);
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记:动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放。

五、动态内存经典笔试题分析

5.1 题目1:

调用函数传入指针,都是一级指针,按照变量来理解,需要用到二级指针来接收地址,不然如下p只是str的一份临时拷贝,而改变不了str

void GetMemory(char *p)
{
  p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果?

5.2 题目2:

p是临时变量,从函数出去后,系统会自动释放空间

char *GetMemory(void)
{
  char p[] = "hello world";
  return p;
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  str = GetMemory();
  printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果?

5.3 题目3:

malloc函数是可以使用变量的

void GetMemory(char **p, int num)
{
  *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
  char *str = NULL;
  GetMemory(&str, 100);
  strcpy(str, "hello");
  printf(str);
}

请问运行Test函数会有什么样的结果?

5.4 题目4:

void Test(void)
{
  char *str = (char *) malloc(100);
  strcpy(str, "hello");
  free(str);
  if(str != NULL)
  {
    strcpy(str, "world");
    printf(str);
  }
}

请问运行Test函数会有什么样的结果?

六、 柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组(flexible array)这个概念,但是它确实是存在的。

在C99中,结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组,这就叫做『柔性数组』成员。

例如:

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0]; //柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成:

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[]; //柔性数组成员
}type_a;

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。

例如:

typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0]; //柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
  printf("%d\n", sizeof(type_a)); //输出的是4
  return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
  int i;
  int a[0]; //柔性数组成员
}type_a;
int main()
{
  int i = 0;
  type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
  //业务处理
  p->i = 100;
  for(i=0; i<100; i++)
  {
    p->a[i] = i;
  }
  free(p);
  return 0;
}

这样柔性数组成员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

上述的type_a结构也可以设计为下面的结构,也能完成同样的效果。

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
  int i;
  int *p_a;
}type_a;
int main()
{
  type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
  p->i = 100;
  p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
  //业务处理
  for(i=0; i<100; i++)
  {
    p->p_a[i] = i;
  }
  //释放空间
  free(p->p_a);
  p->p_a = NULL;
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能,但是 方法1 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)

扩展阅读:C语⾔结构体⾥的数组和指针

七、 总结C/C++中程序内存区域划分

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。
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