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10
个int
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:
- 申请内存
- 得到强制类型转化后的指针
- 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
malloc
,calloc
,realloc
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和大小的内存空间,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和新的大小,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
- 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。
- 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。
- 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:
- 柔性数组成员前至少有一个其它成员
sizeof
计算结构体的大小时,不计入柔性数组成员- 柔性数组的长度变化由
malloc
与realloc
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