C语言：（动态内存管理）
孤独且没人爱的纸鹤 2024-06-29 15:35:03 阅读 69
目录
动态内存有什么用呢
malloc函数
开辟失败示范
free函数
calloc函数
realloc函数
当然realooc也可以开辟空间
常⻅的动态内存的错误
对NULL指针的解引⽤操作
对动态内存开辟的空间越界访问
对⾮动态开辟内存使⽤free释放
使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分
对同一块动态内存空间多次释放
动态内存开辟的空间忘记释放（内存泄露）
动态内存的笔试题分析
题目1
题目2
题目3
题目4
柔性数组
柔性数组的特点：
第一种代码
第二种代码
C/C++程序内存分配的⼏个区域：
动态内存有什么用呢
int main()
{
int a;//在栈空间开辟4个字节
int arr[10] = { 0 };//在栈空间开辟10个字节的连续空间
}
上面这种开辟空间有2个缺点
1.空间开辟的大小是固定的。
2.数组在申明的时候，必须指定数组的⻓度，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。
malloc函数
开辟空间函数需要的头文件
#include<stdlib.h>
内存开辟的空间都是在堆区上的
C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数：
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。
mallo申请的空间和数组申请的空间有什么区别呢？
1.开辟的空间可以调整大小
2.开辟的位置不一样
int main()
{
//申请10个整行的空间
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
//判断p
if (p == NULL)
{
//是NULL就申请失败
//打印报错信息
perror("malloc");
return 1;
}
//下面就是使用开辟的40字节
//循环赋值
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
//p从0地址开始赋值，i从1开始
*(p + i) = i + 1;
}
}
开辟失败示范
free函数
malloc和free都声明在 stdlib.h 头⽂件中。
C语⾔提供了另外⼀个函数free，专⻔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是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。
//释放开辟的空间
free(p);
//p指向了被释放的空间，会变成野指针
//所以需要搞成空指针 NULL
p = NULL;
如果开辟的空间不释放的话，程序结束会被操作系统回收
但是程序还没结束前会浪费很多内存空间
free只能释放动态内存开辟的空间
malloc和free最好成对使用
calloc函数
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,size_t size）;
1.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。
2.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函数是已经算好的，而malloc需要算
int* p = (int*) malloc(10 * sizeof(int));
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
这2个有什么区别呢，malloc不会初始化，而calloc会初始化为全0
如果不想初始化用malloc，想初始化用calloc
malloc不会初始化
而calloc会初始化为全0
realloc函数
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
realloc可以调整内存地址。
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。
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?
情况1：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。
情况2：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。
realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行
int main()
{
//申请10个整行的空间
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
//判断p
if (p == NULL)
{
//申请失败报错
perror("calloc");
return 1;
}
//所以空间
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
//调整空间—希望变成20个整行的空间
//realloc函数第一个必须是开辟空间的起始地址，第二个是调整的要调整多少个整行
int* ret = (int*)realloc(p, 20 * sizeof(int));
//要判断是不是NULL，如果不判断，又等于NULL，则会把旧空间的数据全部赋值空
if (ret != NULL)
{
//把新空间的地址赋值给p
p = ret;
}
//使用
//.....
//释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
当然realooc也可以开辟空间
realloc（NULL,40）等价于malloc(40)
int main()
{
int*p=(int*)realloc(NULL,40);//==malloc(40)
if (p == NULL)
{
}
return 0;
}
常⻅的动态内存的错误
对NULL指针的解引⽤操作
p如果是NULL就是对NULL解引⽤，这样是错误的
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//使用
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
//如果是NULL就是对NULL解引⽤
p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
我们需要进行判断是不是NULL，这样就可以避免对NULL指针的解引⽤操作
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//进行判断是不是空指针
if (p == NULL)
{
//是就报错
perror(malloc);
return 1;
}
//使用
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
//如果是NULL就是对NULL解引⽤
p[i] = i;//这个代码相当于 *(p+i)
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
对动态内存开辟的空间越界访问
我们可以看到只开辟了10个整行的空间，循环访问40个整行，造成了越界访问
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror(malloc);
return 1;
}
//使用
for (int i = 0; i < 40; i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
对⾮动态开辟内存使⽤free释放
free对⾮动态开辟内存，会报错
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
//...
free(p);
p = NULL;
}
使⽤free释放⼀块动态开辟内存的⼀部分
为什么会报错呢，因为free释放空间是从首地址开始释放的
当p加到10了，p就已经不是首地址了，就无法释放空间了
我们可以创建一个新的指针变量来加。
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror(malloc);
return 1;
}
//使用
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i;
p++;
}
//释放动态内存
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
对同一块动态内存空间多次释放
当第一个free释放空间然后把p赋值NULL
第二个free释放空间，释放的是空指针当然是没有问题的
当第一个free释放空间没有把p赋值为NULL
第二个free释放的就是野指针了，就会报错了
所以把p赋值为NULL还是有必要的
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p == NULL)
{
perror(malloc);
return 1;
}
//使用
free(p);
//....
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
动态内存开辟的空间忘记释放（内存泄露）
当在函数里开辟了100个字节的空间，a等于1提前返回了，没有释放空间
后面还有很多代码，以后就没办法释放了，就导致内存泄露了
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。
void add()
{
int a = 1;
int* p = (int*)malloc(100);
if (p == NULL)
{
return;
}
if (a == 1)
{
return 1;
}
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
add();
//假设后面还有很多代码
return 0;
}
动态内存的笔试题分析
题目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;
}
1.把字符串放到str相当于对NULL解引⽤操作，程序会崩溃。
2.存在内存泄露。
解决办法
就是返回p的地址，然后释放开辟的内存
char* GetMemory()
{
char*p = (char*)malloc(100);
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
题目2
我们可以发现返回了p的地址，
但是出了这个GetMemory函数外就被操作系统回收了，str就变成野指针了。
这是返回栈空间的问题，进这个函数创建，出这个函数销毁，可以返回变量，但不能返回地址
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
题目3
这个代码存在内存泄露
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
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
}
柔性数组
也许你从来没有听说过柔性数组（flexible?array）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。
柔性数组不是结构体，是结构体里面的一个成员
struct a
{
int a;
char b;
double c;
int arr[0];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};
有些编译器会报错⽆法编译可以改成：
struct a
{
int a;
char b;
double c;
int arr[];//未知大小的数组，arr就是柔性数组的成员
};
柔性数组的特点：
1.结构中的柔性数组成员前⾯必须⾄少⼀个其他成员。
2.sizeof 返回的这种结构⼤⼩不包括柔性数组的内存。
3.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。
第一种代码
下面这个代码我们可以看到sizeof计算结构体大小不包含柔性数组
进行判断是不是NULL，是就报错
结构体的a赋值100，结构体赋值1到20
调整柔性数组srr的空间，把arr的80个字节调整为160字节，然后判断是不是空，是就把p的地址给str
打印空间里的数值，然后释放空间
struct a
{
int a;
int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
// 4个字节 80个字节
struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a) + 20 * sizeof(int));
//判断是不是空
if (p == NULL)
{
perror(malloc);
return 1;
}
//使用
p->a = 100;
//arr是数组用下标访问
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
p->arr[i] = i+1;
}
//调整开辟的空间
struct a *str = (struct a*)realloc(p, sizeof(struct a) + 40 * sizeof(int));
if (str != NULL)
{
str = p;
p = NULL;
}
else
{
return 1;
}
//打印
for (int i = 0; i < 40; i++)
{
printf("%d ", str->arr[i]);
}
//释放空间
free(str);
str = NULL;
return 0;
}
第二种代码
我们可以发现第二种代码使用了2次malloc函数，上面那第一种只用了一次malloc
这就是柔性数组的特点
struct a
{
int a;
int *arr;
};
int main()
{
//开辟了结构体的空间
struct a* p = (struct a*)malloc(sizeof(struct a));
//判断是不是空
if (p == NULL)
{
perror(malloc);
return 1;
}
//开辟一块整行空间
int* str = (int*)malloc(20 * sizeof(int));
//不是空
if (str != NULL)
{
//把新开辟的空间的地址赋值给p->arr
p->arr = str;
}
else
{
return 1;
}
//给a赋值100
p->a = 100;
//给arr数组赋值1到20
for (int i = 0; i < 20; i++)
{
p->arr[i] = i + 1;
}
//调整空间，调整p->arr的空间,调整为40个整行
str = (int*)realloc(p->arr, 40 * sizeof(int));
//判断是不是空
if (str != NULL)
{
p->arr = str;
}
else
{
return 1;
}
//打印
for (int i = 0;i < 20; i++)
{
printf("%d ", p->arr[i]);
}
//释放空间
free(p->arr);
p->arr = 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 ⽅法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⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体，但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，⽤⼾做⼀次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。（其实，我个⼈觉得也没多⾼了，反正你跑不了要⽤做偏移量的加法来寻址）
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,可以看看《函数的栈帧的创建和销毁》
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。
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