C语言突破进阶-动态内存管理

C语言突破进阶-动态内存管理

  • 1. 动态内存分配快速入门
    • 1.1 栈上开辟特点
    • 1.2 动态开辟位置
  • 2. 动态内存函数
    • 2.1 `malloc`
      • 2.1.1 malloc快速入门
    • 2.2 `free`
      • 2.2.1 free快速入门
    • 2.3 `calloc`
      • 2.3.1 calloc 快速入门
    • 2.4 `realloc`
      • 2.4.1 realloc快速入门
      • 2.4.2 realloc 调整空间的两种情况
        • :herb: 情况一:原有空间之后有足够大的空间
        • :herb: 情况2:原有空间之后没有足够大的空间
      • 2.4.3 realloc注意事项
  • 3. 常见的动态内存错误
    • 3.1 对NULL指针的解引用操作
    • 3.2 动态开辟的空间的越界访问
    • 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.经典练习题
    • :chestnut:
    • :chestnut::chestnut:
    • :chestnut::chestnut::chestnut:
    • :chestnut::chestnut::chestnut::chestnut:
  • 5. C/C++的内存开辟
  • 6. 柔性数组
    • 6.1 柔性数组快速入门
    • 6.2 两种开辟方案
      • 方案一
      • 方案二
    • 6.3 柔性数组的优势

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1. 动态内存分配快速入门

1.1 栈上开辟特点

我们已经掌握的内存开辟方式有:

int a = 0;//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,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存开辟了。

1.2 动态开辟位置

首先得了解一下动态内存开辟空间是在哪里开辟的

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根据上图,一般动态内存开辟常常会发生在堆区

常常涉及的函数就是mallocrealloccallocfree

2. 动态内存函数

2.1 malloc

c语言提供了一个动态内存函数

void* malloc (size_t size);

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2.1.1 malloc快速入门

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。

演示使用方法

int main()
{
	//开辟10个整型的空间
	//int arr[10];
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//使用
	int  i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

那么这里也涉及到了free()释放

2.2 free

void free (void* ptr);

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2.2.1 free快速入门

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。

注意事项:

free(ptr);
ptr = NULL;

空间在malloc之后一定要free,不然会空间泄露,free完之后一定要记得把指针置空,不然会产生野指针

2.3 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。这个函数会直接直接初始化空间

void* calloc (size_t num, size_t size);

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2.3.1 calloc 快速入门

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。

int main()
{
	//开辟10个整型的空间
	//int arr[10];
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//使用
	int  i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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小结: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。

2.4 realloc

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。

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2.4.1 realloc快速入门

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。

2.4.2 realloc 调整空间的两种情况

int* ptr =malloc(20);
int* tmp = realloc(ptr, 40);

情况一:原有空间之后有足够大的空间

如果原来的空间是够的,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

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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。

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2.4.3 realloc注意事项

由于上述的两种情况,realloc函数的使用就要注意一些。由于有时候空间开辟失败会返回NULL,连原来的位置都找不到了,所以一般不会直接原来的指针变量开辟,而是创造一个临时指针放进去

int main()
{
	//开辟10个整型的空间
	//int arr[10];
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//需要增容 - 80
	int*ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (NULL != ptr)
	{
		p = ptr;
		ptr = NULL;
	}
	//继续使用
    
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

动态内存会产生很多容易错误,下面来总结一下,预防错误发生

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);
}

这块空间一定是开不出来的,所以malloc返回的一定是空指针NULL,所以后面的空指针解引用一定是会报错的,解决方法就是加一个判断

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
	if (p == NULL)
		return 0;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

3.2 动态开辟的空间的越界访问

#include 
#include 
int main()
{
	char* p = (char*)malloc(10 * sizeof(char));
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//使用
	int i = 0;
	//for (i = 0; i <= 10; i++)//越界,err
	for(i=0; i<10; i++)
	{
		*(p + i) = 'a'+i;
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 10;
	int*p = &a;
	//写代码
	free(p);//err
	p = NULL;
	return 0;
}

栈上的不能free

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//使用内存
	//1~5
	for (int i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i+1;
		p++;//这种写法有问题,把p移动了最后释放的时候有些地方泄露了
        //*(p+i)=i;//正确使用方法
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

可以把p放在tmp指针里面,移动tmp最后就可以一起释放

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0;
	}
	//使用内存
    ...
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	free(p);//err
	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (p == NULL)
	{
		return 0;
	}
	//使用
	
	//忘记释放,就会出现内存泄露的问题
}
int main()
{
	 test();
	//free(ptr);//在主函数也释放不了,函数栈帧已经销毁了
	return 0;
}

解决方法就是函数内部销毁或者是,带返回值,返回指针,在函数外销毁

总之一定不能忘记释放

4.经典练习题

下面的代码有没有问题

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

⚠️p出函数之后就销毁了,但是空间没有释放

⚠️strcpy中的str是空指针,再要去拷贝helloworld产生了非法访问

⚠️没有free

修改为二级指针,想要把GetMemory函数来改变str

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

或者是采用返回的方法,学习栈帧的时候有讲过,返回值一般是放到了寄存器中,所以不会被销毁

char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

当函数GetMemory运行完之后虽然把返回值给到了str,但是这块空间已经不属于str,所以有可能会打印出随机值,这种问题一般都叫返回栈空间地址的问题

也就是说你返回一个值是可以保存的,但是返回一个地址就没有意义了,因为地址指向的内容所开辟的函数栈帧已经销毁了,很容易打出随机值

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void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//忘记释放了
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

问题在于没有内存释放,后果是内存泄漏

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL){
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

非法访问内存,因为之前对str指向的空间已经释放,不能再访问,str也没有主动置空NULL

5. C/C++的内存开辟

C语言突破进阶-动态内存管理_第11张图片

内存分区

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。
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。

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。

为什么我们要叫它柔性数组,就是因为这个数组可以被malloc或者是realloc放大缩小,柔性变化,所以说叫做柔性数组

6.1 柔性数组快速入门

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。

C语言突破进阶-动态内存管理_第12张图片

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。

柔性数组扩容实例

struct S2
{
	int n;
	int arr[];//
};

int main()
{
	struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2) + 40);
	ps->n = 100;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//增容
	struct S2* ptr = (struct S2*)realloc(ps, sizeof(struct S2)+80);
	if (ptr == NULL)
	{
		return 0;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

6.2 两种开辟方案

方案一

开辟和释放的次数都多,容易产生问题,同时开辟次数多,空间就越会零散,导致空间碎片越多

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};
int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	ps->n = 100;
	ps->arr = (int*)malloc(40);
	//使用
	//增容
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

方案二

一次性开辟

struct S2
{
	int n;
	int arr[];//
};

int main()
{
	struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2) + 40);
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;
	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

上述方案1 和方案2 可以完成同样的功能,但是方法1有两个好处:
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。

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。(影响不是太大)

如若还想深入学习可以参考这篇文章https://coolshell.cn/articles/11377.html

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