【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: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

1.1malloc和free函数

C语言提供的动态内存开辟的函数malloc:

       void* malloc (size_t size);

malloc函数的功能: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。

参数:要申请内存块的大小,单位是字节。

返回值:内存申请成功时,返回分配的内存块的起始地址。不确定返回值的类型,定义成void*。

malloc函数的使用:

#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;
  }
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d\n", *(p + i));
  }
  return 0;
}

注意:

1.空间可能开辟失败,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。

2.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。

3.malloc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申请的空间在程序没有退出时,时不会主动还给操作系统的,只有退出程序,才会还给操作系统,所以我们要使用free函数来释放。

C语言提供了函数free,专门是用来做动态内存的释放和回收的:

       void free (void* ptr);

free函数的使用:

 

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:

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,所以我们在释放空间后,要将p置为空指针。

如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。

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。

int a=10;
int* p=&a;
free(p);     //err
p=NULL:

1.2calloc函数

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。

       void* calloc (size_t num , size_t size);

calloc函数的功能: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。

参数:

num:要分配的元素数

size:每个元素的大小

calloc函数的使用:

int main()
{
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1; 
  }
  //打印数据
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", p[i]);
  }
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

要的空间太大就会开辟失败:

1.3realloc函数

C语言提供的动态内存开辟的函数realloc:

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

参数:

ptr:要调整的内存地址,以是一个空指针

size:调整之后新大小

返回值:调整之后的内存起始位置(该内存块可能与旧位置相同,也可能是新位置)

realloc函数的使用:

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;
}

注意:

realloc有开辟失败的可能,如果用p接收,返回空指针,malloc开辟的空间无法释放,会造成数据泄露,所以我们创建一个ptr来就收realloc返回的地址,如果返回的不是空指针就赋值给p。 

realloc在调整内存空间的两种情况:

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。

2.原有空间之后没有足够多的空间

在堆空间上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。会将旧的空间释放掉,返回新的地址 。

二、常见的动态内存的错误

2.1对NULL指针的解引用操作

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

只有10个整型的空间,确访问了20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);     //err
p=NULL:

2.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

循环结束后,p指向的不是起始位置。无法释放一部分空间,必须从起始位置释放。

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
}

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;
     }
}
int main()
{
     test();
     while(1);
     return 0;
}

动态申请的内存空间不会因为出了作用域自动销毁。

只有两种销毁方式:

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);
}
void Test(void)
{
  char* str = NULL;
  GetMemory(str);
  strcpy(str, "hello world");
  printf(str);
}
int main()
{
  test();
  return 0;
}

运行程序时,会报出错误,这是什么原因呢。

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;
}
void Test(void)
{
     char *str = NULL;
     str = GetMemory();
     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);
}
void Test(void)
{
     char *str = NULL;
     GetMemory(&str, 100);
     strcpy(str, "hello");
     printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

四、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。

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;

注意:柔性数组这个结构中,柔性数组前至少有一个成员。

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。

5.3柔性数组的使用

我们开辟好空间后,发现空间不够用,我们可以使用realloc增容。

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;
}

替代柔性数组:

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。

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,同时也感谢各位读者的支持。文章有问题可以在评论区留言,博主一定认真认真修改,以后写出更好的文章。

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