学C的第三十二天【动态内存管理】

高高的胖子2023-08-05 13:18

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相关代码gitee自取：C语言学习日记: 加油努力 (gitee.com)

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接上期：

学C的第三十一天【通讯录的实现】_高高的胖子的博客-CSDN博客

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1 . 为什么存在动态内存分配

学到现在认识的内存开辟方式有两种：

  • 创建变量：

int val = 20; ------ 在栈空间上开辟4个字节

  • 创建数组：

char arr[10] = {10}; ------ 在栈空间上开辟10个字节的连续空间

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。
  • 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，它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内存开辟了。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

2 . 动态内存函数的介绍

（1）. malloc 和 free ：

malloc :

该函数是一个动态内存开辟的函数，

这个函数可以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。

书写格式如下：

void* malloc (size_t size);

  • 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。

  • malloc声明在 stdlib.h 头文件中。

示例：

free :

malloc函数申请的内存空间在程序退出时才会还给操作系统，

如果程序不退出，动态申请的内存是不会主动释放的。

所以需要 free函数 来释放动态内存。

书写格式如下：

void free (void* ptr);

  • 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。

  • free声明在 stdlib.h 头文件中。

示例：

（2）. calloc ：

书写格式如下：

void* calloc (size_t num, size_t size);

  • 函数的功能是以 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。

  • 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。

  • 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。

  • calloc 声明在 stdlib.h 头文件中。

示例：

（3）. 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，

那为了合理地使用内存，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。

书写格式如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);

  • ptr 是要调整的内存地址，如果填的是NULL空指针，那会开辟一块新的空间，跟malloc函数一样。

  • size 是调整之后新大小

  • 返回值 为调整之后的内存起始位置。

  • 这个函数在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：

在这种情况下，要扩展内存就直接在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：

在这种情况下，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，

将旧的空间中的数据拷贝到新的空间中，再释放旧的空间，最后返回新空间的起始地址。

这样函数返回的就是一个新的内存地址。

  • realloc 声明在 stdlib.h 头文件中。

示例：

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

3 . 常见的动态内存错误

（1）. 对NULL指针的解引用操作：

malloc、calloc、realloc函数 都可能开辟空间，
开辟空间就有可能会失败，返回 NULL空指针，
这时解引用该空指针就可能会出问题。

示例：

（2）. 对动态开辟空间的越界访问：

示例：

（3）. 对非动态开辟内存使用free函数释放：

示例：

（4）. 使用free函数释放一块动态开辟内存的一部分：

使用动态空间过程中，

改变了指向动态空间的指针，

这时要使用free函数释放空间就会出问题。

示例：

（5）. 对同一块动态内存多次释放：

可以在释放动态空间后，

将该空间指针设置为空指针，

防止多次释放。

示例：

（6）. 动态开辟内存忘记释放 -- 内存泄漏 ：

只有两种方式可以对动态内存进行释放：

free函数 和 程序运行结束，

所以如果 忘记释放 或 没释放且程序无法结束，

就会造成内存泄漏。

示例：

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

4 . 相关经典笔试题

题一：

进行修改：

对应代码：

cpp 复制代码 
//1:改前
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char* p)
{
	//开辟动态空间
	p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	//创建空指针：
	char* str = NULL;

	//使用该指针进行动态内存开辟：
	GetMemory(str);

	//对动态空间赋值并使用：
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);

}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}


//1:改后
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char** p)
{
	//开辟动态空间
	*p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	//创建空指针：
	char* str = NULL;

	//使用该指针进行动态内存开辟：
	GetMemory(&str);

	//对动态空间赋值并使用：
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);

	//使用后进行释放：
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题二：

进行修改：

对应代码：

cpp 复制代码 
//2:改前
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

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

void Test(void)
{
	//创建空指针：
	char* str = NULL;
	//调用上面的函数：
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}


//2:改后
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

char* GetMemory(void)
{
	static char p[] = "hello world";
	return p;
}

void Test(void)
{
	//创建空指针：
	char* str = NULL;

	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题三：

进行修改：

对应代码：

cpp 复制代码 
//3：改前：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void GetMemory(char** p, int num)
{
	//根据需求创建动态空间：
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	//创建空指针变量：
	char* str = NULL;
	//调用函数：
	GetMemory(&str, 100);
	//使用动态空间：
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}


//3：改后：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void GetMemory(char** p, int num)
{
	//根据需求创建动态空间：
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	//创建空指针变量：
	char* str = NULL;
	//调用函数：
	GetMemory(&str, 100);
	//使用动态空间：
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//释放：
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题四：

进行修改：

对应代码：

cpp 复制代码 
//4：改前：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void Test(void)
{
	//创建动态空间并接收：
	char* str = (char*)malloc(100);

	//使用动态空间：
	strcpy(str, "hello");

	//释放：
	free(str);

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}


//4：改后：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void Test(void)
{
	//创建动态空间并接收：
	char* str = (char*)malloc(100);

	//使用动态空间：
	strcpy(str, "hello");

	//释放：
	free(str);
	str = NULL;

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

5 . C/C++程序的内存开辟

（1）. C/C++程序内存区域划分：

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。

图示：

有了这幅图，

我们就可以更好的理解static关键字修饰局部变量的例子了。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的，

栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。

但是被static修饰的变量存放在数据段（静态区），

数据段的特点是在上面创建的变量，直到程序结束才销毁，

所以生命周期变长。

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

6 . 柔性数组

C99中，结构体中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。

实例：

（1）. 柔性数组的特点：

  • 结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。

  • sizeof 返回的这种结构体大小不包括柔性数组的内存。

  • 包含柔性数组成员的结构体用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。

实例：

（2）. 柔性数组的使用：

实例：

（3）. 柔性数组的优势：

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（使用两次malloc函数可以实现类似柔性数组的效果），

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。

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（两个开辟的空间中间空余的内存）。

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