【C语言-进阶】动态内存管理

动态内存管理:在内存中的堆区创建空间,供使用,想申请的空间可变大可变小,与传统的在栈区开辟空间不同,更具有灵活性,在特定场合是必须的。

malloc free

void* malloc (size_t size);

void free (void* ptr);

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。 

 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。

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		perror("Malloc");
		return -1;
	}
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		printf("%d ", *(p + i));
	printf("\n");
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		p[i] = i;
	for (int i = 0; i < 5; i++)
		printf("%d ", *(p + i));
	printf("\n");
	int* pt = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
	if (pt != NULL)
		p = pt;
	for (int i = 5; i < 10; i++)
		p[i] = i;
	for (int i = 0; i < 10; i++)
		printf("%d ", p[i]);

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 【C语言-进阶】动态内存管理_第1张图片

 malloc开辟的空间最开始内容是随机值,如图所示,realloc扩展空间时,会保留原来的5个整型的内容。

free,只能用于指向动态内存空间的指针,free之后,指针所指向的内存使用权归还给操作系统,如果再用p访问这块空间即为非法行为,所以保险起见,将p置为空指针,则p无法再找到那块已经归还为操作系统的内存

calloc 

void* calloc (size_t num, size_t size); 

calloc和malloc的区别仅在于参数不同,还有calloc会把动态开辟的内存初始化为0。

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

realloc 

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

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。

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。

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 

情况2:原有空间之后没有足够大的空间

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。

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。 

由于realloc的两种情况,在扩展内存时,不建议 p = realloc ( p , 1000);  因为如果扩展内存失败,则realloc返回一个NULL指针,这样p就不能指向原来的那块空间了,会造成内存泄漏。

所以建议

【C语言-进阶】动态内存管理_第2张图片

 几个经典动态内存开辟的笔试题

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;
}

str传递是值传递,形参p接收的是NULL,p被赋值为动态开辟的100个字节的空间,GetMemory函数返回后str并不会被改变,仍然是NULL。这样strcpy的行为就是非法的,且printf行为也是非法的。还有就是动态开辟的内存p所指向的空间没有被释放。No free

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

略了主函数),p是一个临时变量(临时数组),在GetMemory函数中创建,在函数结束后,p所指向的空间被释放,被回收,但是p指向的首元素的地址被传了回去,传回去之后,这个指针相当于一个野指针,printf(str),就是在进行非法访问。(返回栈空间地址的问题)

 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);
}

没有大问题,小问题:1.没有对str指针进行判断,判断它是否为空,2.函数最后没有对动态开辟的空间进行释放。

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

 free之后str指向的空间已经被归还给操作系统了,此时我们没有访问权限,但是str仍然指向那一块空间。这时候str就是一个野指针了,后面如果str不为空,再拷贝,打印就是非法访问了。

改正方法:在free(str)之后  str=NULL;即可,

【C语言-进阶】动态内存管理_第3张图片

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。 与只读常量

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。 

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。

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。

#include
#include

typedef struct S
{
	char c1;  //1 8  1 
	char c2;  //1 8  1
	int arr[];
}S;
struct S3
{    // 10001111
	short n;
	char c;
	int arr[];
};
struct S2
{
	char c1;
	char c2;
};
int main()
{
	S* s1 = malloc(sizeof(S) + 10 * sizeof(int));
	s1->c1 = 'a';
	s1->c2 = 'b';
	printf("%d\n", sizeof(S));
	printf("%d\n", sizeof(struct S2));
	printf("%d\n", sizeof(struct S3));

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		s1->arr[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", s1->arr[i]);
	}
	realloc(s1, sizeof(S) + 15 * sizeof(int));

	free(s1);
	s1 = NULL;
	return 0;
}

如上S 占4字节,S2 占2字节, S3占4字节。

事实上,S3即使没有柔性数组成员,也是4字节的= =。

S占4字节,而S2占2字节 ,所以可以推测出如果结构体中由有柔性数组的话,则结构体大小为柔性数组所占起始空间之前的空间大小= =

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