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：

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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

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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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撰写成人本科毕业论文是一个系统而深入的过程&#xff0c;以下是我个人的经验分享&#xff0c;希望能帮助你更好地完成这一任务&#xff1a; 1. 明确论文选题 兴趣与专长&#xff1a;选择自己感兴趣且有一定专长的领域&#xff0c;这样更容易深入研究。可行性&#xff1a;确保…
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Prometheus + Grafana + Alertmanager 系统监控

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PrometheusGrafana 系统监控 1. 简介1.1 Prometheus 普罗 米修斯1.2 Grafana 2. 快速试用2.1 Prometheus 普罗 米修斯2.2 Prometheus 配置文件2.3 Grafana 2. 使用 Docker-Compose脚本部署监控服务3. Grafana 配置3.1 配置数据源 Prometheus3.2 使用模板ID 配置监控模板3.3 使用…
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java17 新特性(实用)

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前言&#x1f440;~ 在更新下一章数据库相关知识前&#xff0c;先分享一下java17的一些新特性&#xff0c;有些新特性狠实用&#xff01;&#xff01;&#xff01; 如果各位对文章的内容感兴趣的话&#xff0c;请点点小赞&#xff0c;关注一手不迷路&#xff0c;如果内容有什么…
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计算机组成体系

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目录 冯诺依曼体系结构 运算器 存储器 控制器 输入设备 输出设备 CPU 体系特点 实例分析 总结 操作系统 什么是操作系统 理解操作系统的管理特性 什么是管理 驱动层 管理方式 操作系统接口即系统调用接口 用户操作接口 总结 冯诺依曼体系结构 冯诺依曼体系结构…
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外星人Alienware X15R1 原厂Windows10系统 oem系统

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装后恢复到您开箱的体验界面&#xff0c;包括所有原机所有驱动AWCC、Mydell、office、mcafee等所有预装软件。 最适合您电脑的系统&#xff0c;经厂家手调试最佳状态&#xff0c;性能与功耗直接拉满&#xff0c;体验最原汁原味的系统。 原厂系统下载网址&#xff1a;http://w…
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Overleaf(Latex)论文里插入高清matlab图像，亲测有效！！

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如何在论文里插入高清的实验结果是个令人头疼的问题&#xff0c;这里以overleaf对matlab结果为例进行了测试&#xff0c;亲测有效。 在matlab图像结果的左上角选择"文件"->“导出设置” 选择“渲染”&#xff0c;分辨率调至600&#xff1b; 字体和线条粗细视个人…
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【Pytorch 】Dataset 和Dataloader制作数据集

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文章目录 Dataset 和 Dataloader定义Dataset定义Dataloader综合案例1 导入两个列表到Dataset综合案例2 导入 excel 到Dataset综合案例3 导入图片到Dataset导入官方数据集Dataset 和 Dataloader Dataset指定了数据集包含了什么，可以是自定义数据集，也可以是以及官方数据集Data…
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【Cityengine】Cityengine生产带纹理的建筑模型导入UE4/UE5（下）

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【Cityengine】Cityengine生产带纹理的建筑模型导入UE4/UE5&#xff08;下&#xff09; 一、导出数据&#xff08;2022中文版案例&#xff09;二、安装datasmith插件三、导入数据四、检查导入材质是否正常五、编辑替换材质六、安装模型编辑插件七、编辑替换建筑规则 一、导出数…
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