1.为什么存在动态内存分配
我们已经掌握的内存开辟方式有:
1. int val = 20;//在栈空间上开辟四个字节 2. 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:
1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在申明的时候,必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。
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。 这时候就只能试试动态存开辟了。
2.动态内存函数的介绍
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不会初始化,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,返回申请到空间的起始地址。
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。(申请空间过大)
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申请的内存空间,是怎么释放呢?
1.free释放—主动;
2.程序退出后,malloc申请的空间也会自动被操作系统回收—被动;
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 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。
举个例子:
#include <stdio.h> int main() { //代码1 int num = 0; scanf("%d", &num); int arr[num] = {0}; //代码2 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; }
ptr = NULL 避免ptr变为野指针
3.calloc
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。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而malloc不会初始化。
举个例子:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { int *p = calloc(10, sizeof(int)); if(NULL != p) { //使用空间 } free(p); p = NULL; return 0; }
所以如何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。
4.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。 举个例
子:
#include <stdio.h> int main() { int *ptr = malloc(100); if(ptr != NULL) { //业务处理 } else { exit(EXIT_FAILURE); } //扩展容量 //代码1 ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?) //代码2 int*p = NULL; p = realloc(ptr, 1000); if(p != NULL) { ptr = p; } //业务处理 free(ptr); return 0; }
reallc的另外一个功能
int*p = (int*)realloc(NULL, 40);//== malloc(40);
3.常见的动态内存错误
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); }
正确方式
void test() { int *p = (int*)malloc(40); if (p == NULL) { } *p = 20; free(p); }
2.对动态开辟空间的越界访问
int main() { int* p = calloc(10, sizeof(int)); if (p == NULL) { perror("calloc"); return 1; } int i = 0; //越界了 for (i = 0; i <= 10; i++) { p[i] = i; } //打印 for (i = 0; i <= 10; i++) { printf("%d\n", *(p + i)); } //释放 free(p); p = NULL; return 0; }
3.对非动态开辟内存使用free释放
void test() { int a = 10; int *p = &a; free(p);//对非动态内存释放 }
4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test() { int *p = (int *)malloc(100); p++; free(p);//p不再指向动态内存的起始位置 }
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 }
6.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
void test() { int* p = (int*)malloc(40); //... if (3) return; free(p); p = NULL; } int main() { test(); //... while (1) { ; } return 0; }
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 。
int* test() { int* p = (int*)malloc(40); //... if (3) return p; free(p); p = NULL; } int main() { int* ret = test(); free(ret); ret = NULL; //... while (1) { ; } return 0; }
4.几个经典的笔试题
1.题目一
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?
strcpy(str, "hello world");程序对NULL指针的解引用操作,程序崩溃
printf(str);内存泄漏;malloc开辟的空间还没有来得及释放;
正确形式:
1.
void GetMemory(char** p) { *p = (char*)malloc(100); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(&str);//malloc开辟的100字节空间存放在str中 strcpy(str, "hello world");//hello world拷贝在str中 printf(str);//ok free(str); str = NULL; }
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
strcpy(str, "hello world");程序对NULL指针的解引用操作,程序崩溃
printf(str);内存泄漏;malloc开辟的空间还没有来得及释放;
正确形式:
1.
void GetMemory(char** p) { *p = (char*)malloc(100); } void Test(void) { char* str = NULL; GetMemory(&str);//malloc开辟的100字节空间存放在str中 strcpy(str, "hello world");//hello world拷贝在str中 printf(str);//ok free(str); str = NULL; }
2.
char* GetMemory() { char* p = (char*)malloc(100); return p; } void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory(); strcpy(str, "hello world"); printf(str);//ok free(str); str = NULL; }
2.题目二
str = GetMemory(); str 变为野指针;属于返回栈空间地址的问题
char *GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; return p; } void Test(void) { char *str = NULL; str = GetMemory(); printf(str); }
同样的,例如 仍然是属于返回栈空间地址的问题。
int* test() { int a = 10; return &a; } int main() { int* p = test(); printf("haha\n"); printf("%d\n", *p); return 0; }
但是返回栈空间的值是没有问题的
int test() { int a = 10; int b = 20; int c = a + b; return c; } int main() { int d = test(); return 0; }
3.题目三
缺少free函数,存在内存泄漏问题;后面加上即可解决
void GetMemory(char **p, int num) { *p = (char *)malloc(num); } void Test(void) { char *str = NULL; GetMemory(&str, 100); strcpy(str, "hello"); printf(str); //free(str); //str = NULL; }
4.题目四
strcpy(str, "world"); str是野指针,对野指针进行操作是非法访问;
void Test(void) { char *str = (char *) malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); if(str != NULL) { strcpy(str, "world"); printf(str); } }
正确形式
void Test(void) { char* str = (char*)malloc(100); strcpy(str, "hello"); free(str); str = NULL; if (str != NULL) { strcpy(str, "world"); printf(str); } }
5.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。函数栈帧的创建都是在栈区。
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。
实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的,栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。
但是被static修饰的变量存放在数据段(静态区),数据段的特点是在上面创建的变量,直到程序结束才销毁
所以生命周期变长。
6.柔性数组
1.定义
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];//未知大小的数组 - 柔性数组成员 }type_a;
有些编译器会报错无法编译可以改成:
1. typedef struct st_type 2. { 3. int i; 4. int a[];//未知大小的数组 - 柔性数组成员 5. }type_a;
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。
例如:
1. typedef struct st_type 2. { 3. int i; 4. int a[0];//柔性数组成员 5. }type_a; 6. printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
3.柔性数组的使用
柔性数组成员a,相当于获得了100个整型元素的连续空间。
//代码1 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);
4.柔性数组的优势
上述的 type_a 结构也可以设计为:
//代码2 typedef struct st_type { int i; int *p_a; }type_a; type_a *p = 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
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);