动态内存管理

我要学编程(ಥ_ಥ)2024-03-14 20:32

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为什么要有动态内存分配

malloc和free

calloc和realloc

realloc

常见的动态内存的错误

对NULL指针解引用操作

对动态开辟空间的越界访问

对非动态开辟内存使用free释放

使用free释放一块动态开辟的内存的一部分

对同一块动态内存多次释放

动态开辟的内存忘记释放（内存泄漏）

动态内存经典笔试题分析

题目1：

题目2：

题目3：

题目4：

柔性数组

柔性数组的特点：

柔性数组的使用

柔性数组的优势

总结C/C++中程序内存区域划分

为什么要有动态内存分配

我们现在掌握的内存开辟方式有两种：

cs 复制代码 
int i = 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。 因此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。

当然可能有小伙伴会问：C99中不是定义了变长数组吗？那个空间大小不是可以发生变化吗？注意：那个变长数组，我们也是在编译后就确定其大小了。而我们需要的是在编译后，还能够发生变化的空间。

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数，函数原型如下：

cs 复制代码 
//size是字节数，即向内存申请多少个字节的空间
#include <stdio.h>//malloc所需的头文件
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，则返回一个指针指向开辟好了的空间。

• 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，具体在使用的时候由使用者自己来决定。

• 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：

cs 复制代码 
#include <stdlib.h>//free函数所需的头文件
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函数的行为是标准未定义的。

• 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

举个例子：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*10);//开辟空间
	if (ptr != NULL)//开辟成功
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			//因为是开辟了一块连续的空间，所以可以使用访问数组的方法
			printf("%d\n", ptr[i]);
		}
	}
    //当然如果这块空间我们不需要了，就可以把它释放
    free(ptr);
    //当然这块空间被释放了，这个指针就应该被置成空指针，防止出现野指针
    ptr = NULL;
	return 0;
}

calloc和realloc

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。函数原型如下：

cs 复制代码 
#include <stdlib.h>//free函数所需的头文件
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。

• 同样开辟失败会返回一个空指针。

举个例子：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d\n", ptr[i]);
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 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。

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

cs 复制代码 
#include <stdio.h>//realloc函数使用所需的头文件
void* realloc (void* ptr, size_t size);

• ptr 是要调整的内存地址。

• size是调整之后的新大小。

• 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，那么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，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。（开辟新的空间，会将旧空间的数据拷贝到新空间，释放旧空间，返回新空间的起始地址）

• 开辟失败同样是返回一个空指针。

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//开辟空间
	int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ptr != NULL)
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", ptr[i]);
		}
		printf("\n");
		//拓大空间
		//如果直接写成ptr的话，就有点不合适，因为如果没开辟成功就会被置成空指针
		//或者这个后面的空间不足，那么这个ptr也会发生变化
		int* ret = (int*)realloc(ptr, 80);
		if (ret != NULL)//开辟成功
		{
			ptr = ret;
			ret = NULL;
			for (int i = 0; i < 80 / 4; i++)
			{
				printf("%d ", ptr[i]);
			}
		}
	}
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	return 0;
}

常见的动态内存的错误

对NULL指针解引用操作

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
//INT_MAX是定义在limits.h这个头文件中，要使用就得包含这个头文件
#include <limits.h>
void test()
{
    //这里要开辟的空间过大，会导致开辟失败，就会返回一个空指针
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
    //这里对空指针解引用就会报错，我们应该先判断一下这个p是否为空指针
	*p = 20;
	free(p);
}

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

改正之后的代码：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <limits.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	//开辟完新空间之后，如果要使用我们就得先检查是否为空指针
	if (p != NULL)
	{
		*p = 20;
	}
	free(p);
}

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

对动态开辟空间的越界访问

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int i = 0;
	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		return;
	}
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

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

对非动态开辟内存使用free释放

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//error
}

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

使用free释放一块动态开辟的内存的一部分

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

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

对同一块动态内存多次释放

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	//重复释放,如果我们把这个p置为空指针，那么就不会报错了
	free(p);
}

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

动态开辟的内存忘记释放（内存泄漏）

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}//没有free
}
int main()
{
	test();
	//这个在执行死循环，就导致这个程序不会停下来，
	//那么这个动态开辟的内存不会被销毁
	while (1)
	{
		;
	}
	return 0;
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。 切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

动态内存经典笔试题分析

题目1：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	//这个是传值调用，而不是传址调用，所以这个str还是空指针
	//一级指针的地址使用二级指针来接收
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
//并且没有释放内存，会导致内存泄漏（现在想释放也释放不了了，因为p已经在出函数时，被销毁了）

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

至于最终的结果就是啥也不会打印。

题目2：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	//p是一个局部变量，有自己的作用域，当出了这个GetMemory函数就会被销毁
	str = GetMemory();
	//这里通过str找到属于p之前的那份空间，但是内容已经不是原来的内容了
	printf(str);
}

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

举个简单的例子来理解：张三准备去他朋友家里玩，他下飞机之后，去到了的酒店住了起来，然后发消息给他的朋友告诉他的地址（p）。他的朋友第二天来找他的时候（str），他已经把房退了，房间里是别人了，但是他朋友硬是要找他，你觉得保安不揍他揍谁？（编译器）

题目3：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//最后忘记把内存释放了，导致了内存泄露
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

题目4：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);//这个空间被提前释放了，但是没有被置空。
	//因此可以进去if语句
	if (str != NULL)
	{
		//这块地址还还没有被使用，所以就会打印出world
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

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

注意：free是把内存中存放的内容释放，而不是把变量给销毁。因此free里的指针对应的地址还是存在的。

柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组这个概念，但是它确实是存在的。 C99 中规定，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。

例如：

cs 复制代码 
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

//有些编译器会报错⽆法编译可以改成：
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

柔性数组的特点：

• 结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。

• sizeof 返回的这种结构大小时，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：

cs 复制代码 
#include <stdio.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
	printf("%zd\n", sizeof(type_a));//输出的是4,也就是只有i的大小
	return 0;
}

柔性数组的使用

cs 复制代码 
//代码1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

int main()
{
	//							原来的大小        柔性数组的大小
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	
	p->i = 100;
	for (int 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。

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。

cs 复制代码 
//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_a指向一个100个整形的空间的地址（类似一个柔性数组）
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));

	for (int 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。

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： 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。

好啦！本期动态内存管理的学习就到此结束了！我们下一期再一起学习吧！

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