【C语言】动态内存管理及其常见错误

文章目录

  • 1、前言:为什么要有动态内存分布
  • 2、三种动态内存的创建方式及其释放
    • 2.1 malloc
    • 2.2 calloc
    • 2.3 ralloc
    • 2.4 free
  • 3、常⻅的动态内存的错误
    • 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释放
    • 3.4 使⽤free释放⼀块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、小结


1、前言:为什么要有动态内存分布

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,必须指定数组的长度,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、三种动态内存的创建方式及其释放

2.1 malloc

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。一般是会输出一个空指针。相关文章链接链接: link

2.2 calloc

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

举个例子

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

输出结果

  • 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

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。


2.3 ralloc

  • 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:

  • 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

在这里插入图片描述

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。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {int* ptr = (int*)malloc(100);if (ptr != NULL) {
//业务处理} else {return 1;}
//扩展容量
//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中ptr = (int*)realloc(ptr,1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中,不为NULL,在放ptr中int* p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if (p != NULL) {ptr = p;}
//业务处理free(ptr);return 0;
}

在我们一般的编写过程中是不建议使用代码1的,因为,可能存在上述的情况2,如果剩余内存空间不足了,可能会开辟失败,然后返回一个空指针,这样一来会导致之前地址的值都没了,所以建议是先创建一个新的指针,确保无误后在将这个地址转移。


2.4 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);

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、calloc、ralloc 和 free 都声明在 stdlib.h 头文件中。

释放动态内存这一举措是很有必要的,因为电脑存储分栈、堆和静态区,而每个区地内存大小是有上限的,而动态开辟的空间的又是储存在堆里,所以如果一直在开辟空间而不释放最终会导致内存泄露,整个堆就会爆满,最终导致程序奔溃。


3、常⻅的动态内存的错误

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);
}

这种情况下需要对新开辟的内存空间判断是否为空指针。

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);
}

动态内存的开辟可以近似认为是数组,所以它不能够越界访问,一旦越界就会报错

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

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

free的使用对象仅限于动态内存对象,是不能所有内存空间都去释放的
如果释放了非动态内存空间,最终会导致整个编译器卡死,甚至无法调试

3.4 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++;free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

不说了,直接卡死

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
}

不行,直接卡死,但是如果在第二次free前将p定义为空指针就不会出错。

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);
}

一开始不会有什么问题,但是时间一长,当堆全部使用完后,就会导致程序奔溃,无法继续运行


4、小结

动态内存的开辟为程序员的代码编写增添了很大一片发挥空间,但是,这里面需要注意的不仅仅是动态内存的释放等常见问题,还有一些细小的问题需要不断注意,不然极有可能会发生内存泄漏等很难发现的细小问题,一旦代码过于庞大,调查起来就会十分的繁琐、困难,需要加以注意

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