文章目录
- 1.为什么要有动态内存分配
- 2.malloc和free
- 2.1 malloc
- 2.2 free
- 3.calloc和realloc
- 3.1 calloc
- 3.2 realloc
- 4.常见的动态内存的错误
- 4.1 对NULL指针的解引⽤操作
- 4.2 对动态开辟空间的越界访问
- 4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放
- 4.4 使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分
- 4.5 对同⼀块动态内存多次释放
- 4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
- 5.动态内存经典笔试题分析
- 5.1 题⽬1
- 5.2 题⽬2
- 5.3 题⽬3
- 5.4 题⽬4
- 6.柔性数组
- 6.1 柔性数组的特点
- 6.2 柔性数组的使⽤
- 6.3 柔性数组的优势
- 7.总结C/C++中程序内存区域划分
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.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);
参数
size
是你想要分配的内存块的大小,以字节为单位。如果malloc
成功分配了内存,它会返回一个指向分配内存块的指针。如果分配失败(比如内存不足),它会返回一个空指针(NULL
)。
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。
参数的单位是字节
申请空间成功的话,返回这块空间的起始地址。
申请失败的话,返回
NULL
#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;}//可以使用这40个字节int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++) {*(p + i) = i + 1;}return 0;
}
2.2 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和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
举个例子:
#include <stdlib.h>int main() {int* p = (int*)malloc(INT_MAX);if (p == NULL) {//空间开辟失败perror("malloc");return 1;}//可以使用这40个字节int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++) {*(p + i) = i + 1;}//释放free(p);//p指向的空间不属于当前程序,但还是能找到那个空间,就成了野指针了//上面就是通过代码的方式释放内存p = NULL;return 0;
}
再看个例子:
#include <stdlib.h>int main() {int arr[10] = { 0 };int* p = arr;free(p);//errp = NULL;return 0;
}
这里因为arr
不是动态开辟的,所以不能用free
释放。
再看个例子:
int main() {//前面一堆代码int* p = NULL;//中间一堆代码free(p);//什么都不干,因为空指针没有指向有效的空间p = NULL;return 0;
}
这里free
什么都不干,因为空指针p
没有指向有效的空间。
对于
malloc
和free
最好成对使用。
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
。
举个例子:
int main() {//申请10个整型的空间//malloc(10 * sizeof(int));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]);}//释放free(p);p = NULL;return 0;
}
打印:
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。
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);
-
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
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:原有空间之后没有足够大的空间
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。
- 将旧的数据拷贝到新的空间
- 释放旧的空间
- 返回新的地址
-
int main() {//申请10个整型的空间//malloc(10 * sizeof(int));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]);}//调整空间 - 希望变成20个整型空间//最好不要这么写:p = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));//因为realloc可能开辟失败int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));if (ptr != NULL) {p = ptr;}//使用//释放free(p);p = NULL;return 0;
}
relloc函数不仅可以调整空间,还可以申请空间。
relloc(NULL, 40);//等价于malloc(40)
4.常见的动态内存的错误
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);
}
例如:
int main() {int* p = malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL) {perror("malloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++) {p[i] = i;//*(p+i)}free(p);p = NULL;return 0;
}
在使用空间的时候,如果p
经过malloc
后返回的是空指针,那么就会出现对NULL
指针的解引⽤操作。
我们可以在前面添加一段代码,来防止这个情况发生。
int main() {int* p = malloc(10 * sizeof(int));if (p == NULL) {perror("malloc");return 1;}//使用空间int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++) {p[i] = i;}free(p);p = NULL;return 0;
}
4.2 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);
}
或者:
void test()
{int i = 0;int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));if(NULL == p){exit(EXIT_FAILURE);}for(i=0; i<=40; i++)//越界访问了,因为上面只分配了10个字节空间{p[i] = i;}free(p);
}
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);//err
}
4.4 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
}
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 *p = (int *)malloc(100);if(NULL != p){*p = 20;}if (flag) {return;//直接返回主函数了}free(p);//并没有执行p = NULL;
}int main()
{test();while(1);
}
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏
。
而且当时的动态内存的空间是通过局部变量p
指针来查找的,返回主函数后我们无法再次找到这个空间。我们这个时候想释放都不能释放了。只有等到主函数结束,我们才能释放这个空间。这个空间实际上我们不需要用到,但是程序只要不停止,我们都无法释放这个空间。这个就叫内存泄漏
。
有些游戏的服务器的程序可能一天24小时一直在运行,这个时候动态申请的空间可能就申请申请申请,可能就把内存耗光了。内存耗干了之后程序就挂了,机器就重启了。
动态内存管理是一把双刃剑:
- 它能给我们提供灵活的内存管理方式
- 但也会带来风险
切记:动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放。
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);
}int main() {Test();return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
一开始,str
是存放的NULL
,通过GetMemory()
函数,我们把NULL
传递给了p
。
p = (char *)malloc(100);
动态分配了100
个字节的空间。
我们假设这段空间的起始地址是0x0012ff40
,p里面存放的自然就是0x0012ff40
这个地址了,因为这样才能访问到这个动态分配的空间。
可是此时,str
并没有改变,还是NULL
,没有指向有效的空间。
strcpy(str, "hello world");
strcpy
想把hello world
拷贝到str
指向的空间去。但是str
是空指针,空指针没有指向任何有效的空间,形成了对空指针的非法访问,而一旦对NULL
指针解引用,程序就会崩溃。
而且上面的GetMemory()
函数结束的时候没有释放动态内存空间,这就会导致内存泄漏
的问题。
我们可以修改一下代码,使其合理:
改法1:
void GetMemory(char** p)
{*p = (char*)malloc(100);
}void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "hello world");printf(str);free(str);str = NULL;
}int main() {Test();return 0;
}
打印:
hello world
改法2:
char* GetMemory()
{char* p = (char*)malloc(100);return p;
}void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();strcpy(str, "hello world");printf(str);free(str);str = NULL;
}int main() {Test();return 0;
}
打印:
hello world
5.2 题⽬2
char *GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}
void Test(void)
{char *str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}int main() {Test();return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
打印随机值。
一开始是这样的。
然后GetMemory()
函数返回p
的地址后,问题就出现了。
因为GetMemory()
函数的空间早就释放了,此时str
指向的原来的p
的地址可能早就被内存里的某些东西更改过了,此时的str
相当于一个野指针。
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);
}int main() {Test();return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
会导致内存泄漏。
5.4 题⽬4
void Test(void)
{char *str = (char *) malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);//把str指向的空间还给操作系统,无法继续使用了if(str != NULL)//这个可以判断,因为地址还是那个地址,只是无法使用{strcpy(str, "world");//这块空间不属于他了,拷贝不了,形成了非法访问printf(str);}
}int main() {Test();return 0;
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
free(str);
把str指向的空间还给操作系统,无法继续使用了,str
就变成野指针了。
可以在free(str);
后面加上一句str = NULL;
6.柔性数组
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。
也就是满足:
- 结构体中
- 最后一个元素
- 未知大小的数组
例如:
struct st_type
{int i;char c;int a[0];//柔性数组成员//这个0也表示数组大小未知。毕竟没有哪个数组的元素个数是0吧。
};
有些编译器会报错无法编译可以改成:
struct st_type
{int i;char c;int a[];//柔性数组成员
};
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。
例如:
typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;int main()
{printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4return 0;
}
打印:
4
一个int
类型的i
就占4
个字节了,所以a[0]
没有计算在里面
6.2 柔性数组的使⽤
代码1:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct st_type
{int i;int a[0];
}type_a;int main()
{int i = 0;type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));//业务处理p->i = 100;for (i = 0; i < 100; i++){p->a[i] = i;}free(p);return 0;
}
这样柔性数组成员a
,相当于获得了100
个整型元素的连续空间。
6.3 柔性数组的优势
上述的 type_a
结构也可以设计为下面的结构,也能完成同样的效果。
代码2:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>typedef struct st_type
{int i;int *p_a;
}type_a;int main()
{type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));p->i = 100;p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));//业务处理for(i=0; i<100; i++){p->p_a[i] = i;}//释放空间free(p->p_a);p->p_a = NULL;free(p);p = NULL;return 0;
}
上述
代码1
和代码2
可以完成同样的功能,但是代码1
的实现有两个好处: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。(其实也没多高,反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址)
因为malloc()
开辟的空间是连续的,但是malloc()
和malloc()
之间的那块空间是有间隙的。
这些间隙可能会用不到,叫做内存碎片。
我们也可以用realloc()
函数来动态调整柔性数组。
对应上面的代码1:
#include <stdlib.h>struct S
{int n;int arr[0];//柔性数组成员
}type_a;int main()
{struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));//这里malloc()开辟了4字节的int n;和80字节的int arr[0];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] = 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));//这里用ptr这个新的指针是为了防止realloc()开辟失败,如果用ps来接收的话,// 开辟失败可能就变成空指针了,里面原来存的东西都没了,所以要新弄个指针来接收//同时,realloc()调整了原来malloc()的大小if (ptr != NULL) {ps = ptr;ptr = NULL;}else {return 1;}//使用刚刚的空间for (i = 0; i < 40; i++) {printf("%d ", ps->arr[i]);}//释放空间free(ps);ps = NULL;return 0;
}
对应上面的代码2:
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(20 * sizeof(int));if (tmp!= NULL) {ps->arr = tmp;}else {return 1;}ps->n = 100;int i = 0;//给arr中的20个元素赋值为1~20for (i = 0; i < 20; i++) {ps->arr[i] = i + 1;}//调整空间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]);}//释放空间free(ps->arr);free(ps);ps = NULL;return 0;
}
7.总结C/C++中程序内存区域划分
C/C++程序内存分配的几个区域:
- 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。《函数栈帧的创建和销毁》- 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回收 。分配方式类似于链表。- 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。- 代码段:存放函数体(
类成员函数
和全局函数
)的二进制代码。