C语言之动态内存管理

凡人多烦事~2024-02-12 16:32

目录

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
  • 数组在声明的时候，必须指定数组的长度，数组空间一旦确定了大小就不能调整

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

malloc

C语言提供了一个动态内存开辟的函数

void* malloc (size_t szie);

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
c 复制代码 
#define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS 1
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

malloc只知道申请多大的空间，但是不知道会放什么类型的数据，所以malloc函数就只能返回void*

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

3. calloc和realloc

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 , szie_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全0
c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 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

realloc

  • realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活
  • 时候回我们发现过去申请的空间太小了，有时候我们又觉得申请的空间过大了，那未来合理的时候的内存，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：原有内存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
c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	//空间不理想，想要扩大空间，20个整型
	int* ptr = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	else {
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	//释放空间
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

realloc

1.realloc调整空间失败，会返回NULL

2.调整成功，有两种情况

情况1：

在已经开辟好的空间后面，没有足够的空间，直接进行空间的扩大，在这种情况下，realloc函数会在内存的堆区重新找一个空间（满足新的空间的大小需求的），同时会把旧的数据拷贝到新空间，然后释放空间，同时返回新的空间的起始地址


情况2：

在已经开辟好的空间后边，有足够的空间，直接进行扩大，扩大空间后，直接返回旧的空间的起始地址！

realloc该函数除了能够调整空间之外，他还能实现和malloc一样的功能！

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//等价于maclloc
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

4. 常见的动态内存的错误

对NULL直接的解引用操作

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	*p = 20;//p有可能是NULL指针的
	return 0;
}

正确写法：

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		//报错信息
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	*p = 20;
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

对动态开辟空间的越界访问

c 复制代码 
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当循环到第11次时，就越界访问了
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

对非动态开辟内存使用free释放

c 复制代码 
nt main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	//...
	p = &a;//p指向的空间就不再是堆上的空间
	free(p);//程序崩溃
	p = NULL;
	return 0;
}

malloc/calloc/realloc 申请的空间如果不主动释放，出了作用域是不会被销毁的

释放的方式：

1.free主动释放

2.直到程序结束，才由操作符回收

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

c 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	p++;//p不再指向动态内存的起始位置了
	free(p);//程序崩溃
	p = NULL;
}

对同一块动态内存多次释放

c 复制代码 
int main()
{
	int a = 10;
	int* p = (int*)malloc(40);
		if (p == NULL)
		{
			return 1;
		}
		free(p);
		free(p);//重复释放程序崩溃
		p = NULL;
	return 0;
}

动态开辟内存忘记释放（内存泄露）

c 复制代码 
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
}

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露

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

题目1

c 复制代码 
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;
}

解析：

  1. GetMemory函数采用值传递的方式，无法将malloc开辟空间的地址，放回str中，调用结束后str依然是NULL指针
  2. strcpy中使用了str,就是对NULL指针解引用操作，程序崩溃
  3. 内存泄露

正确代码

c 复制代码 
void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

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

题目2

c 复制代码 
char* GetMemory(void)//局部变量
{
	char p[] = "hello world";
	return p;//返回的是p首元素的地址
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);//野指针
}

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

题目3

c 复制代码 
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;
}

题目4

c 复制代码 
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);//释放了空间，但是里面还存放着地址，str也就变成了野指针
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");//非法访问
		printf(str);
	}
}

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

6. 柔性数组

也许 你从未听说过柔性数组这个概念，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

  1. 在结构体中
  2. 最后一个成员
  3. 未知大小的数组
    这个数组就是柔性数组！

例如：

c 复制代码 
struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
};

柔性数组的特点：

  • 结构体中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员
  • sizeof返回的这种结构体大小不包含柔性数组的内存
  • 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：

c 复制代码 
struct s
{
	int n;
	int arr[];
};

int main()
{
	printf("%d\n", sizeof(struct s));//4个字节
	return 0;
}

柔性数组的使用

c 复制代码 
struct s
{
	char c;
	int n;
	int arr[];
};

int main()
{
	//printf("%d\n", sizeof(struct s));//4个字节
	struct s*ps=(struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 10 * sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	ps->c = 'w';
	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//假设空间不足
	struct s* ptr=realloc(ps, sizeof(struct s) + 15 * sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		ps = ptr;
	}
	else {
		perror("realloc");
	}
	//继续使用

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

7. 总结C/C++中内存区域划分

C/C++程序内存分配的几个区域：

  1. 栈区：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：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
  3. 数据段（静态区）：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
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