【C语言进阶】动态内存管理及柔性数组

动态内存的开辟在C语言中相当重要的知识


1、为什么会存在动态内存分配

内存的开辟方式:

int a=20;//在栈空间上开辟4个字节

int arr[10];//在栈空间上开辟40个字节的连续空间

这种开辟空间的方式有两个特点:

1、开辟的空间大小是固定的

2、数组在声明的时候,必须指定数组长度,它需要的内存在编译时分配。

但是这种内存开辟的方式存在缺陷,比如我们在写通讯录管理系统时指定了100个元素,但当我们填入元素过多时空间会不够用,当联系人较少时,又会产生空间的浪费,所以我们可以用一种灵活的方式,用多少提供多少,这种方式即动态内存管理。

2、动态内存函数的介绍

2.1malloc和free

void * malloc(size_t  size);

· 如果分配成功则返回指向被分配内存的指针,否则返回空指针NULL。

· 返回类型为void*,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用时侯使用者自己来决定。

· 如果参数size为0,malloc的行为是标准为定义的,取决于编译器。

free是专门用来做动态内存的释放和回收的:

void free(void* ptr)

· 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的,那么free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函数与free函数的声明都在stdlib.h中

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
//malloc函数的使用
int main()
{int arr[10] = { 0 };//动态内存分配int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}//说明开辟成功,使用内存int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}//free(p);//p=NULL;return 0;
}
//没有free,并不是说内存空间就不回收了,当程序退出的时候,系统会自动回收内存空间的

注意:在使用malloc开辟空间时,使用完成一定要释放空间,否则可能导致内存泄漏。 

内存泄漏:是指程序动态分配内存后,未能及时释放这些内存,导致系统无法再为其他对象分配内存,或者可能导致系统内存耗尽的现象。

 2.2calloc

calloc函数也用来动态内存分配

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。

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;
}//calloc与malloc的最大区别就是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。

2.3realloc 

·​​​​​​​ realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活

·​​​​​​​ 有时我们会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,为了合理的分配内存,我们一定会对内存的大小做灵活地调整。那么realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。

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

·​​​​​​​ ptr是要调整的内存地址

·​​​​​​​ size是调整后的新大小 

·​​​​​​​ 返回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空间

·​​​​​​​ realloc在调整内存空间存在两种情况:

1、原有空间之后有足够大的空间;(直接追加)

2、原有空间之后没有足够大的空间;(会覆盖其他数据,所以开辟一块更大的空间,把原有数据拷贝过去)

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = i+1;}//扩容int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//不能放在p中,因为若是给的数字过大,无法申请空间,从而返回空指针,会导致p原来的数据丢失{if (ptr != NULL)//扩容成功{p = ptr;}}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p=NULL;return 0;
}

3、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针解引用操作

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);//应该判断p是否为空指针,否则空间可能开辟失败
    *p = 20;
    return 0;
}

3.2对动态开辟空间的越界访问

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i <= 10; i++)
    {
        p[i] = i;
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);
    return 0;//这个代码会崩溃因为p所指向的空间是在栈区开辟的,并不是动态开辟的(堆区),不能进行释放
}

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 10; i++)
    {
        *p = i;
        p++;
    }
    free(p);
    p = NULL;//因为p的位置会发生改变不再是起始空间的地址,释放仅仅释放了一部分
    return 0;
}

3.5对同一块动态内存多次释放

int main()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        return 1;
    }
    //.....
    free(p);//p一旦释放完后,所指向的空间已经回收,但p依然会记得地址,此时p就相当于一个野指针相当危险
    //.....
    free(p);
    return 0;
}

3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

//情形一:

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    //........
    int x = 0;
    scanf("%d", &x);//如果在这里用户输入1,是会直接返回,函数瞬间结束,malloc开辟的空间就永远无法释放,从而导致内存的泄露
    if (x == 1)
        return;
    //.......
    free(p);
    p = NULL;
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

//情形二:

int* test()
{
    int* p = (int*)malloc(40);
    if (p == NULL)
    {
        return p;
    }
    //.........
    return p;
}
int main()
{
    int* ptr = test();
    //忘记释放
    return 0;
}

4、典型例题分析

4.1题目1: 

void GetMeory(char* p)//形参p,里面放的也是NULL
{p = (char*)malloc(100);//p被赋值,使用malloc申请100个字节的空间,此时p不再是NULL,而是所申请空间的首元素(是个地址)
}//这个函数一旦结束,因为p是形参,只能在函数内部使用,出了函数,p就销毁了,但malloc申请的空间依然还在,从而发生空间泄露
void test(void)
{char* str = NULL;//str是局部变量GetMeory(str);//传递的是实参str,存放的是空指针strcpy(str, "hello world");//str此时依然为空指针,代码必然崩溃,因为strcpy模拟实现包括解引用操作,而对NULL解引用会出现错误printf(str);
}
int main()
{test();return 0;
}

 改写代码:

void GetMeory(char** p)
{*p = (char*)malloc(100);//对p解引用得到的其实就是str
}
void test(void)
{char* str = NULL;GetMeory(&str);//这个时候str里面存放的就是动态内存开辟的100个字节的空间strcpy(str, "hello world");printf(str);//释放free(str);str = NULL;
}
int main()
{test();return 0;
}

4.2题目2:

void GetMemory(char** p, int num)
{*p = (char*)malloc(num);
}
int main()
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);return 0;
}//这个逻辑上是没有任何问题的,可以打印出hello,唯一的问题就是没有free

4.3题目3: 

void test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);//申请了100个字节的空间放到strstrcpy(str, "hello");free(str);//把str指向的空间释放掉,但str并没有变,动态开辟的空间实际上已经还给操作系统了if (str != NULL){strcpy(str, "world");//这个时候str就已经是一个野指针了,形成非法访问printf(str);}
}
int main()
{test();return 0;
}

5、c/c++程序的内存开辟

 简单了解即可!

6、柔性数组

typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//也可以写成a[ ],柔性数组成员
}type_a;

6.1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。

6.2柔性数组的使用:

//柔性数组的使用,如何访问空间
struct S
{int n;int arr[];
};
int main()
{struct S* ps=(struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);//40是柔性数组想要开辟的字节大小,ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//柔性数组成员struct S* ptr=(struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 80);if(ptr!=NULL){ps=ptr;}//........free(ps);ps=NULL;//ptr已经赋给ps了所以不用释放ptr,释放平时即可return 0;
}
struct S
{int n;int* arr;
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){return 1;}ps->n = 100;ps->arr = (int*)malloc(40);if (ps->arr == NULL){return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ps->arr[i] = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}//释放free(ps->arr);ps->arr=NULL;free(ps);ps=NULL;return 0;
}

6.3柔性数组的优势 

 第一个好处:方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人使用的函数中,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,但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free,所以不能指望用户来发现,所以,如果我们把结构体的内存以及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给释放掉。

第二个好处:有利于访问速度

连续的内存有利于提高访问速度,也有益于减少内存碎片 

 

 

 

 

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