C语言:动态内存管理

简介: C语言:动态内存管理

动态内存管理

C语言的动态内存管理是指程序在运行时可以动态地申请和释放内存。

C语言中,动态内存管理主要通过函数来实现,接下来我们就讲解这些函数。

以下函数使用前需要包含<stdlib.h>头文件


malloc

malloc函数用于申请指定大小的内存空间。它接收一个参数,即所需内存的字节数,并返回一个指向该内存块的指针。如果申请失败,则返回NULL。

示例:

malloc(sizeof(int) * 10);


这就申请到了10int类型的空间,那么我们要如何使用这个空间呢?

malloc申请成功后,会返回指向该内存的指针

观察malloc函数的定义,我们会发现malloc的返回值是void*类型的指针。这种指针是不能解引用的,所以使用前需要强制类型转化。

示例:

int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);

由于我们希望内存内存储int类型的数据,所以我们把malloc的返回值转化为int*类型的指针。

但是malloc也有可能会开辟空间失败,比如内存不够了,此时malloc会返回NULL。如果开辟失败,那么我们最好中止程序,因为malloc如果申请不到内存了,说明当前程序很可能发生了问题

int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
if(p == NULL)
{
  perror("malloc fail!");//返回错误信息
  exit(-1);//退出程序
}

以上就是一个标准的内存申请过程:

  1. 申请内存
  2. 得到强制类型转化后的指针
  3. 检查有没有开辟成功

free

free函数用于释放之前程序员申请的内存空间。它接收一个参数,即要释放的内存块的指针。

比如这样:

char* p = (char*)malloc(sizeof(char) * 10);
free(p);

我们一开始通过malloc开辟了一段空间,然后通过free把它释放掉了。

当我们把p指向的内存释放掉后,p就变成了野指针,此时要注意及时置空

p = NULL;

注意事项:

  • 如果参数指向的空间不是通过malloccallocrealloc开辟的,那么free的行为是未定义的,所以free只用来释放动态开辟的内存
  • 如果给free传入NULL,那么free什么也不干

calloc

calloc函数用于申请指定数量大小的内存空间,它接收两个参数,即所需内存块的数量和每个内存块的字节数,并返回一个指向该内存块的指针。如果申请失败,则返回NULL

示例:

int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));

以上代码,完成了10个int类型数据所需的空间开辟。

我们看到完成相同功能的malloc

int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);


有没有发现,两者几乎没有区别?

是的,这两个函数就是几乎没有区别,但是有一个区别就是:

通过calloc申请的空间,每个字节都会被初始化为0,而malloc没有初始化的行为

大部分情况下,我们用malloc居多。


realloc

realloc函数用于重新分配已经申请的内存空间的大小。它接收两个参数,即原始内存块的指针新的大小,并返回一个指向重新分配后内存块的指针。如果重新分配失败,则返回NULL

也就是说,我们可以通过calloc调整原先分配的内存大小。

示例:

int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);
p = (int*)calloc(p, sizeof(int) * 20);

以上代码,我们先通过malloc开辟了10个int类型所需的空间,然后再通过calloc扩大了内存,将原先的内存扩大至20个int类型。这也是动态内存管理最重要的功能:可以自行调节内存的大小

需要注意的是:realloc开辟内存后,内存有可能和之前不是同一块区域

realloc的扩容有两种情况:

以该情况为例:

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 5);
ptr = (int*)calloc(ptr, sizeof(int) * 10);

一开始有20字节空间,即5个int类型。现在我们需要将其扩大到40字节。

原地扩容

看到以下内存:

一开始我们有左侧绿色框内的20byte的内存,在这个内存后面,有一块虚线的绿色内存,其没有被分配,说明当前内存后面还有足够大的空间进行扩容,此时就会发生原地扩容,即直接把后面的绿色虚线区域也变成动态管理的内存。此时ptr指针的指向没有改变

异地扩容

看到以下内存:

一开始我们有左侧绿色框内的20byte的内存,在这个内存后面,有一块虚线的绿色内存,其没有被分配,但是我们需要额外得到20byte,但是当前内存后面剩余的空间不够,此时就会发生异地扩容,即重新找一块足够40byte的空间,然后在新的区域创建动态内存。此时ptr指针的指向改变了。


注意事项

  1. 在申请内存之前,应该先判断申请是否成功,即返回的指针是否为NULL。如果申请失败,应该进行相应的错误处理。
  2. 在使用完动态分配的内存后,应该及时释放内存,以避免内存泄漏。如果不释放内存,程序的内存使用量会不断增大,最终导致系统资源耗尽。
  3. 动态内存操作的内存,都是堆区的内存

总之,C语言的动态内存管理提供了灵活的内存分配和释放机制,可以根据程序的需要动态地调整内存空间的大小。但是,使用动态内存管理需要谨慎,避免内存泄漏和内存错误的发生。

柔性数组

柔性数组是在C99标准后才出现的,它是指:对于动态内存中的结构体的最后一个成员,可以放一个长度可以改变的数组

//方法1
struct st
{
  int a;
  int arr[];//柔性数组成员
}
//方法2
struct st
{
  int a;
  int arr[0];//柔性数组成员
}

根据定义可知,柔性数组必须是结构体的最后一个成员。在上述开辟过程中,我们都在结构体末尾放了一个数组,此数组的[]内部没有值或者值为0。这就是柔性数组的基本语法,若数组不是最后一个成员,或者数组[]内有0以外的值,最后创建的都不是柔性数组。注意:部分编译器只支持其中一种写法。

柔性数组有以下特性:

  1. 柔性数组成员前至少有一个其它成员
  2. sizeof计算结构体的大小时,不计入柔性数组成员
  3. 柔性数组的长度变化由mallocrealloc决定,在第一次使用malloc开辟内存时,必须大于结构体其它成员占用内总和,多出来的内存分配给柔性数组。

为了理解这些特性以及柔性数组的长度变化,我们来分析一串代码:

struct st
{
  int a;
  int arr[];//柔性数组成员
};

int main()
{
  struct st* p = (struct st*)malloc(sizeof(struct st) + 10 * sizeof(int));
  //为结构体开辟空间,并为柔性数组开辟空间存放10个元素
  if (p == NULL)//检查开辟空间是否成功
  {
    perror("malloc");
    return 1;
  }
  //为柔性数组的元素赋值
  int i = 0;
  p->a = 100;

  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    p->arr[i] = i;
  }
  //感觉数组长度不够,增长数组:
  struct st* ptr = realloc(p, sizeof(struct st) + 15 * sizeof(int));
  //增加5个元素的空间
  if (ptr == NULL)//检查开辟空间是否成功
  {
    perror("realloc");
    return 1;
  }
  else
  {
    p = ptr;
    ptr = NULL;
  }
  //对后续开辟的5个空间赋值
  for (i = 10; i < 15; i++)
  {
    p->arr[i] = i;
  }

  //释放空间
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

柔性数组开辟:

struct st* p = (struct st*)malloc(sizeof(struct st) + 10 * sizeof(int));

一开始我们创建了一个结构体,在利用动态内存开辟了属于结构体本身的空间后,追加了10个int类型的大小,用于存放柔性数组的元素。

此处也利用了sizeof不计算柔性数组的特性,避免程序员自己计算结构体的大小,追加的空间也更加直观。

柔性数组增长:

struct st* ptr = realloc(p, sizeof(struct st) + 15 * sizeof(int));

上述代码在开辟了10个元素的空间后,仍需要空间放其它元素,于是使用realloc开辟了额外的五个空间,这就是柔性数组的长度变化。

可以发现,柔性数组的本质就是动态内存管理,利用malloc与realloc来操作内存,变化数组长度。



C/C++内存分配

C/C++的内存分配视图如下:

栈区

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

堆区

⼀般由程序员分配释放,进行动态内存管理,若程序员不释放,程序结束时可能由OS回收

静态区

存放全局变量、静态数据。程序结束后由系统释放

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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