【深入理解C】动态内存管理

简介: 【深入理解C】动态内存管理

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前言

大家在编写C程序的时候,是否会遇到数组空间不够大,或者一次性就把空间开大了,
又怕造成空间开销浪费等内存大小相关问题不得其解的时候呢?
那么这一章内容将会给你带来解决这类问题的好办法——==动态内存开辟==

---

目录


正文


为什么要动态内存分配
其实我们平时类似于下面这样的开辟内存空间都是在栈上开辟的!至于栈是什么?——这里不用过多理解,先知道!
int a=20;//在栈空间上开辟四个字节
int arr[20];//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

上面的开辟方式有以下几个特点:

  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

但是在实现的情况下:

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。

所以动态内存的开辟是很有必要
而且动态内存开辟的空间是在堆区上开辟的,下面是C语言内存的划分区域图

在这里插入图片描述

动态内存函数的介绍
想使用动态内存开辟空间,其实只需掌握以下几个函数即可!
接下来就是函数的介绍与使用,当你理解后再去使用将会比较容易上手!

1.malloc与free

其实C语言提供了一个动态内存开辟的函数:

void* malloc (size_t size);//size_t本质上是unsigned int类型

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。
它的==特点==:

  1. 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针。
  2. 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。
  3. 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
  4. 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

    可能单看文字你会迷迷糊糊的,说了一大堆,那究竟怎么使用呢?
    举个例子: 比如我要开辟一个有10个元素的整型数组!

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc所需的头文件
int main()
{
    //int arr[10];//在栈区开辟10个int类型的空间
    int* pa = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//向堆区申请10个int类型的空间
    if (pa == NULL)//判断是否申请失败
    {
        printf("malloc fail!\n");
        return 1;
    }

    free(pa);//释放内存
    pa = NULL;
    return 0;
}

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  1. ==注意一==:

不知道大家注意到没有,我们malloc动态开辟内存是需要向堆区申请的,所以有没有可能会申请失败呢?
答案是肯定!所以我们每次申请空间后都需要进行判断是否申请成功,malloc函数申请失败它们返回一个NULL。

  1. ==注意二==:
    是否注意在malloc前面加了一个强制类型转化,上面在讲特点的时候提过,malloc返回的类型的void* 类型的指针,所以我们是需要根据自己所需进行转化的!
  2. ==注意三==:
    在结尾一定要把自己动态开辟的内存进行释放!这就要介绍一下free函数了!

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);//void* 可以接收任意类型的指针
可能有一些小伙伴看到free函数的参数类型是void*,就在想我要不要先将原来的类型强转成void *再使用?
没必要,因为void* 就像一个垃圾桶,可以接收任意类型的指针变量!!!

==特点==:

  1. 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
  2. 如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做

一个特别的提醒:

  • 使用完free函数,该函数只会将空间释放,不会吧你的指针变量置空,这时候我们应该养成良好的习惯,手动将指针置成NULL
//例如
    free(pa);
    pa=NULL;//手动置空

2.calloc
calloc函数它跟malloc函数的功能其实的大同小异的,只是参数和初始化不一样!!!

函数原型:

void* calloc (size_t num, size_t size);//num表示要多少个,size表示每一个的大小

==特点==:

  1. 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。
  2. 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: 还是开辟一个有10个整型的数组,这次用的是calloc

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* pa = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (pa == NULL)
    {
        printf("calloc fail!\n");
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d ", pa[i]);
    }
    free(pa);
    pa = NULL;
    return  0;
}

看看它和malloc函数打印后的结果:

在这里插入图片描述

3.realloc
realloc 函数是可以帮我们进行扩容的!!!挺好用的!!!

它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:

void* realloc (void* ptr, size_t size);

使用例子:我要在上面calloc开辟的10的int类型的空间上增加20个int类型的空间

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    //向堆区申请10个int类型的空间
    int* pa = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (pa == NULL)//判断是否申请失败
    {
        printf("calloc fail!\n");
        return 1;
    }
    //......
    //假设内存不够了,需要扩容20个int类型的空间
    int* tem = (int*)realloc(pa, sizeof(int) * 30);//用临时变量存起来
    if (tem != NULL)//扩容成功才能把地址给pa
    {
        pa = tem;
    }
    free(pa);
    pa = NULL;
    return  0;
}

==注意点==:

  1. ptr 是要调整的内存地址
  2. size 调整之后新大小
  3. 返回值为调整之后的内存起始位置。
  4. 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
  5. 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
  6. 不要直接把扩容后的地址赋值给原地址,如果没有扩容成功,则函数会返回NULL,这时又直接就把NULL赋值给了原来地址,会导致无法再找回原有的地址,只需创建个临时变量判断即可

对于上述注意点的第五条两个情况的解释

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
在这里插入图片描述

常见的动态内存错误
通过上面的学习,你可能已经会使用动态内存开辟了,
但是新手在使用的时候难免会出现一些自己并不知道的bug!!!
下面给大家演示一些几种常见的错误示范,让你少走弯路!!!
  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);
}

==结论==:申请空间后一定要判断是否申请成功了

  1. 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 (p==NULL)
    {
        return 1;
    }
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        p[i] = i;//当i是10的时候越界访问
    }
    free(p);
}

==结论==:无论是动态开辟的,还是非动态开辟的内存都要注意边界问题,避免越界

  1. 对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
    int a = 10;
    int *p = &a;
    free(p);//典型的对非动态开辟的内存错误释放
}

==结论==:不能对非动态开辟的内存进行释放(malloc,ralloc,realloc都是动态开辟)

  1. 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=p+50;//有些人突然心血来潮觉得100太了,想释放后半部分空间
    free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

==结论==:使用free时,要注意传过去的是动态内存的起始地址,不能说释放一点,只能一次性全部释放

  1. 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
}

==结论==:重复释放同一个空间,程序会崩溃,但是我们可以养成良好习惯,free完后手动把指针置空,比如下面的程序就不会崩溃

void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
    free(p);
    p=NULL;
    free(p);//重复释放,p已经为空,所以free不会做任何事情
}

因为把NULL传给free它是不会干任何事情的!!!

  1. 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏,很严重)
void test()
{
    int *p = (int *)malloc(100);
    if(NULL != p)
    {
    *p = 20;
    }
}
int main()
{
    test();
    while(1);
}

上面这个程序是随便举个例子的,你运行起来的话,在任务管理器可以看到它的内存占比会一直不断增加
==结论==:动态开辟的内存一定要记得释放,一定要养成malloc,calloc,realloc这些函数与free一定是搭配使用的!!!

切记
动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放!!!

一些动态内存的笔试题
纸上得来终觉浅,绝知此事要躬行

既然我们学会了如何使用动态内存函数了,那么想要深刻理解它,就要刷题了!!
只要做题才知道自己理解得怎么样了,才知道自己有没有掌握。

题目1
//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
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;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果?
答案:==什么也不会输出,程序会崩溃==。

在这里插入图片描述

==原因==:

  1. 首先它没有可能存在内存泄漏(次要原因,但不是导致它程序崩溃的原因)
  2. 传参的时候传的是形参,是无法修改str的,所以str一直的NULL
  3. 使用strcpy的时候,传过去的是NULL空指针,strcpy会对NULL进行解引用(*),就是非法访问的(崩溃的原因)

题目2
//下面程序输出什么
char* GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    return p;
}
void Test(void)
{
    char* str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果?
答案:

在这里插入图片描述

==原因==:

  1. 野指针问题, 本质就是在调用GetMemory这个函数的时候,它确实是把p的地址带回来给了str,但是,数组p只是一个在GetMemory函数里的一个局部变量,只要出了这个函数,它就被销毁了,所以p已经是一个野指针了,打印的是随机值。

题目三

下面程序输出什么,有没有什么错误?

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;
}

答案:输出:hello,有错误。

在这里插入图片描述

==原因==:

  1. 我们上面讲过,申请内存是不是可能出现失败的情况,所以是需要判断是否申请成功的,但是这里并没有!
  2. 还记得我们说过使用malloc这样的函数的时候,要搭配free使用吗!这里虽然可以正常打印,但是呢,却存在内存泄漏的隐患,因为它没有释放内存!

题目四

下面程序有什么错误?

void Test(void)
{
    char* str = (char*)malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    if (str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}

int main()
{
    Test();
    return 0;
}

==错误==:

  1. 还是没有判断是否开辟成功,可能会出现开辟失败,造成程序崩溃的错误隐患
  2. 释放完没有对str置空,我们说过,free之后要养成手动置空,因为free是不会帮我们把str置空的,所以str被free之后,已经变成了野指针了,它就能进到下面的if语句,然后又会非法访问!!!

内容补充说明(C/C++程序内存分配的几个区域)
在这里插入图片描述
  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。

特加内容(柔性数组)
也许你从来没有听说过柔性数组(flexible array)这个概念,但是它确实是存在的。
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

比如像下面这样的定义就是柔性数组

struct S
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
};

可能上面的定义有的编译器可能编译不过,下面这个就可以

struct S
{
    int i;
    int a[];//柔性数组成员
};

==特点==:

  1. 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员
  2. sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存
  3. 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:当我们计算它的大小的时候

在这里插入图片描述

至于它的使用,本质上就是当我们需要多大空间的时候,我们对柔性数组中的int a[]进行动态内存开辟即可!
这里不打算过多介绍!
只是单单交代它的存在性!

它的好处有以下几点

  1. 方便内存释放
  2. 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)

本章完!

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