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。
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