内存动态管理

内存动态管理

1 .为什么要有动态内存分配

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：

• 空间开辟⼤⼩是固定的。

• 数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，数组空间⼀旦确定了⼤⼩不能调整 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。

C语⾔引⼊了动态内存开辟，让程序员⾃⼰可以申请和释放空间，就⽐较灵活了。

2 .malloc 和free

2.1 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，并返回指向这块空间的指针。

malloc函数在空间上的实现：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

注意点

1.参数的单位是字节

2.申请空间成功的话，返回起始地址，申请失败的话，则返回NULL

小试牛刀

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){//空间开辟失败perror("malloc");return 1;}return 0;
}

不要忘了头文件<stdlib.h>

malloc申请的空间和数组申请的空间有什么区别吗？

1.动态内存的大小是可以调整的

2.开辟空间的位置不一样

下图：变量在空间中的分布情况

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• 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。

2 .2 free

C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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);

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此时的p就好像一个渣男，malloc函数分配给的空间就像是前女友，p一直存着malloc函数分配的地址，地址就像是前女友的电话号码，p记着，一直疯狂打电话，此时不得不搬来旁人当头一棒，也就是NULL,如下：

p=NULL;//通过代码的方式释放内存

我们来对比一下之前学的局部变量的创建和销毁的过程：

#include <stdio.h>
int main()
{int arr[10];return 0;
}

上面的int类型的数组是局部变量，出了},它的生命周期也就结束了，会回收给操作系统

如果我们不释放p，系统也会回收，你可能会觉得这样不是挺好的呀，还很省事呢，但是你自己创建了肯定得负责呀，局部变量是在栈区，而动态内存分布是堆区，堆区是自己手动设置的，就好像一直欠着别人的钱不还，也不太好，到时候空间不够了，再来找不是不太好嘛。

int main()
{int a = 10;int*p = &a;
//	//...free(p);p = NULL;return 0;
}

这种情况也是不可以的，所以综上，我们要

malloc和free最好成对出现

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。

3 .calloc和realloc

3 .1 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。

下面是calloc的使用：

int main()
{//申请十个整型空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror(calloc);return 1;}//使用空间for (int i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p+i)}return 0;
}

运行结果

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malloc和calloc的区别

malloc不会对数值进行初始化，数值为随机值，但是calloc会对数值初始化为0；malloc的参数只有一个，calloc的参数有两个

所以如果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

3 .2 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，那为了合理的使 ⽤内存，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);

使用方式如下：

/int main()
{
//	//申请10个整型的空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}
//	//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", p[i]);//*(p+i)}//	//调整空间-希望变成20个整型空间int* ptr = (int*)realloc(p, 12 * sizeof(int));//?if (ptr != NULL){p = ptr;}
//	//使用
//	//...//	//释放free(p);p = NULL;return 0;
}

realloc函数在msdn的解释

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• 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函数在调整空间大小有两种情况

◦ 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

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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。

上面这张图是可以扩容的情况

情况二具体来说：

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再次回到前面：

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这么写的原因：再设置一个指针，好比说，有人跟你承诺去贷款，押金有十万，原本能贷款到20万，但是realloc就是那个给别人贷款的人，他万一言而无信，连十万押金都不给你，言而无信就是它变成了空指针，所以要先判断是不是空指针，如果不是，在把ptr赋给p,相当于成功贷款了

4 .常见的动态内存错误

4 .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);
}

解决方法：

int main()
{int* p  = (int*)malloc(10*sizeof(int));if (p == NULL)//先判断是不是空指针{perror("malloc");return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){p[i] = i;//*(p+i)	}free(p);p = NULL;return 0;
}

4 .2对动态开辟空间的越界访问

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

4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放

void test()
{
int a = 10;
int *p = &a;
free(p);//ok?
}

4 .4使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分

int main()
{int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i <5; i++){*p = i;p++;}free(p);p = NULL;return 0;
}

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这样子找不到它的起始位置，也就相当于找不到回家的路似的

4 .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
}

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{int flag = 1;int*p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){
//		//return;}
//
//	//使用
//if (flag)return;
//free(p);p = NULL;
}
//
int main()
{test();
//	
//	//.....
//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。

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realloc函数是怎样申请空间的呢？

int main()
{//int* p = malloc(20);//realloc(p, 40);int*p = (int*)realloc(NULL, 40);//== malloc(40)if (p == NULL){}return 0;
}

5 动态内存经典笔试题分析

5.1题目1

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

运行结果

程序会崩溃

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怎样做出结果呢？

#include <string.h>char* GetMemory()
{char* p = (char*)malloc(100);//传址调用return p;
}
void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();strcpy(str, "hello world");//okprintf(str);//okfree(str);str = NULL;
}int main()
{Test();return 0;
}

5.2 题⽬2

char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}

运行结果

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由上图可知，会形成非法访问

此时因为char p[]="hello world"是局部变量，局部变量在空间中存储在栈区的位置，栈区存储的变量出了范围就要被操作系统给回收了，str再去GetMemory()中调用的时候，会发现找不到这个变量

我们再来打个比方

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李四打电话给张三说我在如家302，明天过来找他有事，但是李四第二天放他鸽子，就走了，此时就相当于return p后，把空间交给了操作系统，张三此时找不到李四了，此时302里面住了别的人，那如家的保安肯定不能让张三进去，形成非法访问

返回栈空间地址的问题

传递值的情况

int* test()
{int a = 10;return &a;
}int main()
{int n = test();printf("%d\n", n);return 0;
}

来看演示图：

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这里传递值的时候，因为编译器知道，a作为局部变量肯定会还给操作系统，所以编译器会把值放在寄存器里，然后再传递给n

传递地址的情况

int* test()
{int a = 10;return &a;
}int main()
{int *p = test();printf("hehe");printf("%d\n", *p);return 0;
}

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对于传递地址可没这样呢，我们必须要知道函数栈帧的创建和销毁

由上图可知，右边是变量在栈区的存储情况，int a=10;相当于在test函数里面申请了一块空间，但是出了test函数又要被销毁了，此时就找不到a了，会打印成随机值

再来练练手（一道校招真题）

阅读如下几段程序，指出哪（几）段程序有问题，并说明问题是什么？

a)

int *f1(void)
{int x=10;return &x;
}

a)就是我们说的非常典型的返回栈空间地址的问题，此时出了f1,x的值已经被销毁了，找不到了，&x就是个野指针

b)

int *f2(void)
{int*ptr;*ptr=10;return ptr;
}

b)这是一个非常古远的知识，没有对ptr这个指针初始化，就开始解引用，这是大错特错，ptr也是个野指针

5.3 题目3

void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}

运行结果

打印出hello

为什么呢？

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这里p是二级指针，存放的指针str的地址,malloc函数为str分配100个字节大小的空间，然后strcpy将"hello\0"字符串拷贝到str里面正好满足

但是这段代码还是有一点点小小的问题，因为malloc函数要和free最好是成对出现，没有对malloc创造的余下空间进行释放，会造成内存泄漏的情况

5.4 题⽬4

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

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怎样改进呢

void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);free(str);str = NULL;//重点要关注free完有没有置为空指针
}int main()
{Test();return 0;
}

6 .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。

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

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

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

硬核总结

什么是柔性数组？

  • 在结构体中
  • 最后一个成员
  • 未知大小的数组

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。

对特点的说明：

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
struct S{int n;//4int arr[];}s;
int main()
{printf("%zd\n", sizeof(s));return 0;
}

运行结果：

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由此可见，sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。

#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
struct S{int n;//4int arr[];}ps;
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));if (ps == NULL){perror("malloc()");return 1;}//使用这些空间ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 20; i++){ps->arr[i] + 1;}//调整ps指向空间的大小struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 40 * sizeof(int));if (ptr != NULL) {ps = ptr;ptr = NULL;}else{return 1;}//	//使用for (i = 0; i < 40; i++){printf("%d ", ps->arr[i]);}////	//释放空间free(ps);ps = NULL;//return 0;
}

运行结果

前二十个为1-20，后面为随机值，因为后面二十个没有赋值

由此，可以看出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。

在空间中的分布情况：

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还有第二种方案

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struct S
{int n;int* arr;
};
int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));if (ps == NULL){perror("malloc");return 1;}int* tmp = (int*)malloc(sizeof(int) * 20);if (tmp != NULL){ps->arr = tmp;}else{return 1;}ps->n = 100;int i = 0;for (i = 0; i < 20; i++){ps->arr[i] = i + 1;}tmp = (int*)realloc(ps->arr, 40 * sizeof(int));if (tmp != NULL){ps->arr = tmp;}else{perror("realloc");return 1;}for (i = 0; i < 40; i++){printf("%d", ps->arr[i]);}free(ps->arr);ps->arr = NULL;free(ps);ps = NULL;return 0;
}

这个方法也是同理，

逻辑图如下：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

注意先释放2的空间，1里面还存着最初的空间，先释放1的空间，可能找不到起始位置

综合来看其实方法1更好一点，有以下原因：

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 ⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能 指望⽤⼾来发现这个事。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 回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次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）

什么是内存碎片

用一个图来演示：

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

就好比一个班级里面排座位，合理安排座位，内存碎片就小，内存碎片就好比桌椅间的空隙

拓展阅读

C语言结构体里的成员数组和指针 | 酷 壳 - CoolShell

在这篇文章中有几个很有意思的观点：（我觉得对于C语言的理解很有好处）

  • 变量，其实是内存地址的一个抽像名字罢了
  • 不管结构体的实例是什么——访问其成员其实就是加成员的偏移量。
  • 访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址，而访问成员指针其实是相对地址里的内容
  • 数组的原地就是内容，而指针的那里保存的是内容的地址。

很棒的文章，有兴趣自己读读

7.总结C/C++中内存区域划分

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

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。

  1. 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（操作系统）回收 。分配⽅

式类似于链表。

  1. 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。

  2. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码

思维导图

外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传

额外补充

lea全称load effective address，是把地址放进去，而mov则是把地址里的内容放进去
内存碎片**

用一个图来演示：

[外链图片转存中…(img-LCYS6Tzu-1717063769233)]

就好比一个班级里面排座位，合理安排座位，内存碎片就小，内存碎片就好比桌椅间的空隙

拓展阅读

C语言结构体里的成员数组和指针 | 酷 壳 - CoolShell

在这篇文章中有几个很有意思的观点：（我觉得对于C语言的理解很有好处）

  • 变量，其实是内存地址的一个抽像名字罢了
  • 不管结构体的实例是什么——访问其成员其实就是加成员的偏移量。
  • 访问成员数组名其实得到的是数组的相对地址，而访问成员指针其实是相对地址里的内容
  • 数组的原地就是内容，而指针的那里保存的是内容的地址。

很棒的文章，有兴趣自己读读

7.总结C/C++中内存区域划分

[外链图片转存中…(img-aJEj0p1u-1717063769233)]

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。

  1. 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（操作系统）回收 。分配⽅

式类似于链表。

  1. 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。

  2. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的⼆进制代码

思维导图

[外链图片转存中…(img-acrSpo7K-1717063769233)]

额外补充

lea全称load effective address，是把地址放进去，而mov则是把地址里的内容放进去

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IGraph使用实例——贝尔曼-福特算法（求解单源最短路径）

IGraph使用实例——贝尔曼-福特算法（求解单源最短路径）

1 概述 本文中求解最短路径使用的方法是igraph中基于贝尔曼-福特算法&#xff08;Bellman-Ford算法&#xff09;。Bellman-Ford算法是一种用于在加权图中找到从单个源点到所有其他顶点的最短路径的算法。这个算法可以处理包含负权重边的图&#xff0c;但不能处理有负权重循环的…
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Java集合基础知识点系统性总结篇

Java集合基础知识点系统性总结篇

目录 集合一、图解集合的继承体系&#xff1f;&#xff08;[图片来源](https://www.cnblogs.com/mrhgw/p/9728065.html)&#xff09;点击查看大图二、List,Set,Map三者的区别&#xff1f;三、List接口的实现3.1、Arraylist 、 LinkedList、Vector3.2、Arraylist 、 LinkedList、…
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护网不仅要有好技术、更要有个好身体

护网不仅要有好技术、更要有个好身体

护网医疗急救包 吉祥学安全知识星球&#x1f517;除了包含技术干货&#xff1a;Java代码审计、web安全、应急响应等&#xff0c;还包含了安全中常见的售前护网案例、售前方案、ppt等&#xff0c;同时也有面向学生的网络安全面试、护网面试等。 2024年的护网已经很接近了&#x…
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【面试宝藏】微服务架构详解

【面试宝藏】微服务架构详解

微服务架构详解 微服务架构是一种软件设计模式&#xff0c;将应用程序分解为小型、独立且松耦合的服务&#xff0c;每个服务负责特定的业务功能。以下是对微服务的深入探讨。 1. 您对微服务有何了解&#xff1f; 微服务是一种架构风格&#xff0c;将单一的应用程序拆分为一组…
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5月更新！优维EasyOps®平台7大新功能上线~

5月更新！优维EasyOps®平台7大新功能上线~

5月&#xff0c;优维EasyOps全平台产品能力又升级啦&#xff01;&#x1f44f; 快来看看都有新增的功能与优化吧&#xff01;&#x1f447; 重点升级 架构可观测 1.系统监控态势感知 过去&#xff0c;用户在使用监控平台的过程中&#xff0c;存在如下问题&#xff1a; 告警…
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JDBC相关知识分解逐步介绍

JDBC相关知识分解逐步介绍

1. JDBC驱动程序 1.1 什么是JDBC驱动程序 JDBC驱动程序是实现Java程序与数据库进行通信的桥梁。不同的数据库需要不同的JDBC驱动程序。例如&#xff0c;MySQL数据库需要mysql-connector-java&#xff0c;Oracle数据库需要ojdbc驱动程序。 1.2 加载JDBC驱动程序 在JDBC 4.0及…
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Python自动编译文件夹下的所有proto文件的方法

Python自动编译文件夹下的所有proto文件的方法

Python自动编译文件夹下的所有proto文件的方法 一、背景 当我们需要使用protobuf通信的时候，必然少不了新建一些proto文件，而手写proto文件，一方面我们不知道是否完全符合语法，另一方面这些proto文件需要被编译之后才能进行业务逻辑的实现，所以就存在编译proto文件的情况…
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