动态内存管理 C语言从入门到入土(进阶篇)(一)

简介: 动态内存管理 C语言从入门到入土(进阶篇)(一)

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:

int val = 20 ; // 在栈空间上开辟四个字节

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


2.1 mallocfree


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,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。

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。

返回值的类型是 void* (所以返回的时候要对malloc进行强制类型转换),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。

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:


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。

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。


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 ; // 必要
        return 0 ;
}


2.2 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 。


举个例子:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main ()
{
        int * p = ( int* ) calloc ( 10 , sizeof ( int ));
        if ( NULL != p )
        {
        //使用空间
        }
        free ( p );
        p = NULL ;
        return 0 ;
}

image.png



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。


2.3 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


image.png


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 = ( int* ) malloc ( 100 );
        if ( ptr != NULL )
        {
            // 业务处理
        }
        else
        {
            exit ( EXIT_FAILURE );    
        }
        //扩展容量
        //代码 1
        ptr = ( int* ) realloc ( ptr , 1000 ); // 这样可以吗? ( 如果申请失败会如何? )
        //申请失败就找不到原来的地址了,就会内存泄漏。
        //所以要想代码2一样去写。
        //代码 2
        int* p = NULL ;
        p = realloc ( ptr , 1000 );
        if ( p != NULL )
        {
        ptr = p ;
        }
        //业务处理
        free ( ptr );
        return 0 ;
}

3. 常见的动态内存错误


3.1 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 );
}


3.2 对动态开辟空间的越界访问

void test ()
{
        int i = 0 ;
        int * p = ( int * ) malloc ( 10 * sizeof ( int ));
        if ( NULL == p )
        {
        exit ( EXIT_FAILURE );
        }
        for ( i = 0 ; i <= 10 ; i ++ )
        {
        * ( p + i ) = i ; // 当 i 是 10 的时候越界访问
        }
        free ( p );
}


3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test ()
{
        int a = 10 ;
        int * p = & a ;
        free ( p ); //ok?
}
也是不可以的


3.4 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
}

3.5 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
}

3.6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 );
}


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。

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