动态内存管理(C语言)

动态内存管理

  • 1. 为什么存在动态内存管理
  • 2. 动态内存函数的介绍
    • 2.1 malloc函数和free函数
    • 2.2 calloc函数
    • 2.3 realloc函数
  • 3. 常见的动态内存错误
    • 3.1 对NULL指针的解引用操作
    • 3.2 对动态开辟空间的越界访问
    • 3.3 对非动态开辟内存使用free函数
    • 3.4 使用free释放动态开辟内存的一部分
    • 3.5 对同一块动态内存多次释放
    • 3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
  • 4. 几道经典的笔试题
    • 4.1 题目一
    • 4.2 题目二
    • 4.3 题目三
    • 4.4 题目四
  • 5. C/C++程序的内存开辟
  • 6. 柔性数组
    • 6.1 为什么需要柔性数组
    • 6.2 柔性数组的定义
    • 6.3 柔性数组的使用
    • 6.4 柔性数组的特点
    • 6.5 柔性数组的优势

1. 为什么存在动态内存管理

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

但上述开辟内存的方式有两个特点

  • 空间开辟大小是固定的
  • 数组在声明时必须指定数组的长度，他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 malloc函数和free函数

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，则会返回NULL(空指针)，因此malloc函数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，具体在使用时使用者自己决定
  • 如果size等于0，这种行为C标准没有定义，具体取决于编译器

C语言还提供了另一个函数free，专门是用来做动态内存的释放和回收的

void free (void* ptr)

  • 如果ptr指向的空间不是动态开辟的，那么free的行为C语言并没有定义，而是取决于编译器
  • 如果参数ptr是空指针(NULL)，则该函数什么都不做

头文件: stdlib.h

#include <stdio.h>int main()
{//代码1int num = 0;scanf("%d", &num);int arr[num] = {0};//代码2int* 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;//是否有必要？return 0;
}

注意:

  • malloc一定要和free搭配使用，用完切记要释放内存
  • ptr=NULL是十分有必要的，避免ptr成为野指针
  • malloc函数只负责分配内存，并不会将内存中的值初始化为0，里面是一些随机值

2.2 calloc函数

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，并且把空间的每块区域初始化为0
#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;
}

2.3 realloc函数

  • 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

1.原来空间后面有足够大的空间
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

2.原来的空间后面没有足够大的空间
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。

由于上述两种情况,在使用realloc函数时就要注意

#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1ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？(如果申请失败会如何？)//代码2int*p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if(p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;}

注意: 不能用之前的指针直接指向realloc函数扩展的新空间，因为如果扩展失败，返回空指针，那么意味着之前的空间找不到了，就导致内存泄漏，正确的做法是新创建一个指针去接收，如果该指针不为空，再将地址赋给原来的指针

3. 常见的动态内存错误

3.1 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);
}

解决这个问题的方法是，申请完的空间，在使用前一定要判断不为空，在使用

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);
}

解决这个问题的方法是，在访问时自己心里看清楚有没有越界，在执行程序

3.3 对非动态开辟内存使用free函数

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

这种做法也是错误的，free只能释放动态开辟的内存，解决方法是释放的时候看清楚

3.4 使用free释放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
}

free函数只能释放一整个动态开辟的内存，不能从中间某个位置开始释放
使用时要注意

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
}

free只能释放一次动态开辟的内存，不能多次释放，使用时要注意哦

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);}

p指针是局部变量，当调用完test函数时，指针被销毁，但申请的空间还在，但没有之前的指针也就无法在访问这块地址，这就导致内存一直被占用，其他程序也无法使用，这就是内存泄漏问题

切记: 申请的空间在使用完毕后一定要正确的释放

4. 几道经典的笔试题

4.1 题目一

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

上面的程序test()函数执行会发生什么情况

GetMemory(str);将str的值传递给char*类型的指针p，由于传的不是地址，所以指针p和指针str指向的是不同的地址，对于str来说地址里的值仍然是NULL，对一个NULL去复制，程序就会崩溃
在这里插入图片描述

4.2 题目二

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

请问执行Test()函数会发生什么

str = GetMemory();这句话调用了GetMemory()函数，并用char*指针接收该函数的返回值，但char p[]数组是在该函数内部创建的，虽然可以将数组p的地址返回给str，但当str拿对应的地址去访问p之前的空间时，这片空间已经被操作系统回收了，所以就属于非法访问了，打印出来是一些乱码

4.3 题目三

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

这道题看上去没什么大问题，但是有一个细节，在使用完动态开辟的内存后没有及时释放free()，导致内存泄漏

4.4 题目四

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

这道题问题在于，在free完之后没有及时将指针str即使置NULL，所以导致下面的if语句被执行，但str开辟的空间已经被释放掉，所以也属于非法访问了，但是由于我们进行的是字符串的拷贝,所以world还是会被拷贝到当前地址，并成功输出，但我们要知道这实际上是错误的

5. C/C++程序的内存开辟

在这里插入图片描述
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。
  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(操作系统)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。

6. 柔性数组

6.1 为什么需要柔性数组

我们平时在VS上只能指定长度固定的数组，而不能灵活去改变数组的长度，而且在定义一个数组时，[ ]括号中必须是常量，那么我们如果事先不知道要创建大小为多少的数组时应该怎么办?此时就需要C语言提供的另一种方式，即柔性数组

6.2 柔性数组的定义

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

typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;//有些编译器不支持上述写法，可以按照下面来定义typedef struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
}type_a;

6.3 柔性数组的使用

#include <stdlib.h>
struct Stu {int num;int grade[];
};
int main()
{struct Stu* p = (struct Stu*)malloc(sizeof(struct Stu) + 20);if (p != NULL){p->num = 100;for (int i = 0;i < 5;i++){p->grade[i] = i+1;printf("%d\n", p->grade[i]);}}free(p);p = NULL;
}

在内存中num和grade在一个开辟的动态内存中

6.4 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。

6.5 柔性数组的优势

上述代码还可以设计为

#include <stdlib.h>
struct Stu {int num;int* ptr;
};int main()
{struct Stu* p = (struct Stu*)malloc(sizeof(struct Stu));if (p != NULL){p->ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*5);if (p->ptr != NULL){for (int i = 0;i < 5;i++){p->ptr[i] = i + 1;printf("%d\n", p->ptr[i]);}}}free(p->ptr);p->ptr = NULL;free(p);p = NULL;
}

两者的区别在于在内存中的分布不同

情况一:
在这里插入图片描述
这种情况结构体变量是在栈中创建的，柔性数组是在堆中创建的

情况二:

在这里插入图片描述
这种情况结构体和动态开辟的数组都是在堆上存储

第一种是通过柔性数组来实现，第二种是通过普通的指针来实现，我们来看看柔性数组的优势

  • 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内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。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，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次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

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