首页 > 系统相关 >16.【C语言进阶】动态内存管理

16.【C语言进阶】动态内存管理

时间：2022-12-04 16:58:33浏览次数：76  
标签：malloc 进阶 int free C语言 内存 动态内存 空间 函数

为什么存在动态内存分配

栈区上的内存开辟

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

这样直接在函数体中开辟内存的方式有它的特点

  1. 开辟内存的大小是固定的。
  2. 数组在申请空间是，需要指定数组大小。
  3. 出了函数作用域变量就失效了。

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。

动态内存函数

malloc 和 free

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。

既然是动态内存开辟，那么有开辟内存就一定有释放内存。

C语言提供了另一个函数free，专门用来做动态内存的释放和回收。

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。
  • 函数执行后，ptr仍指向该地址。

想要使用这两个函数，我们需要包含头文件 stdlib.h

#include <stdio.h>
int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = {0};
	//代码2
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
	if(NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for(i=0; i<num; i++)
		{
			*(ptr+i) = 0；
		}
	}
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	return 0;
}

使用方式与数组很相似。

如果ptr不置空，会有什么问题吗？

自然你是不会犯错的，但一个工程那么源文件，假如你在已经释放过这边空间了，但又没有及时指控，ptr却仍然指向原来的地址，好比你邻居有了你家的门钥匙，这可不合理合法，因此最好释放内存后，将指向该空间的指针都及时置空。

calloc

C语言还提供了一个函数 calloc，它也是用来动态内存分配的。

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。

与malloc相比它显然多了一个功能，不过实在用的很少，完全可以使用malloc + memset两个函数代替，不过有还是比没有好的。

来个例子：

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* ret = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (ret)
	{
		//
	}
	free(ret);
	ret = NULL;
	return 0;
}

image-20220518224131313

通过内存窗口看到这里四十个字节的16进制全部都成为了0，那么free又会发生什么？

image-20220518224138372

free后这里的数据又都变成了随机值。

如果需要将开辟的内存初始化为0，那么使用calloc会很方便。

realloc

试想这样一种场景，假如我们申请了40个byte，但是现在却不够用了，那么只依靠malloc和calloc函数，我们怎么做？难道是另起炉灶，再重新开辟一块空间，这样做显然太笨重了，因此C语言还提供了我们用来动态管理内存空间的函数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。

函数原型：

void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr是要调整的内存的地址
  • size是调整后的字节数
  • 返回值为调整内存后的首地址
  • 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：
    • 原有空间后有充足的空间
    • 原有空间后没有充足的空间

会出现这两种情况的原因是动态开辟的内存空间是随机的，即可能会形成一块空间上，断断续续的被我们所使用。

image-20220518224145267

情况1

当是情况1 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。

情况2

当是情况2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。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

这是我们有内存增大需求的情况，如果是减小呢？

  • malloc在缩小内存时，将后面多余的空间free掉。
  • realloc找不到合适的空间时会返回NULL。
  • 如果ptr为NULL，那么它的功能和malloc一样。

所以记得对返回的地址进行判空操作。

常见的动态内存错误

对空指针的解引用操作

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);
}

解决方法：对于返回的地址要判空。

对动态开辟空间的越界访问

void test()
{
	int i = 0;
	int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
	if(NULL == p)
	{
		exit(EXIT_FAILURE);
	}
	for(i=0; i<=10; i++)
	{
		*(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}
	free(p);
}

对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);
}

p指向栈区而非堆区，free不能释放不是动态内存开辟的空间。

使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

会造成内存泄漏。

对同一块内存空间多次释放

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放
}

重复释放会导致第二次释放出现问题，释放已经不属于我们的内存空间显然不合适。

动态开辟的空间未释放

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
		*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漏

动态开辟的内存一定要释放，且对于某一组内存操作函数，由谁开辟的，结束后，就由谁释放。

例如：链表的初始化需要动态申请内存空间，那么我们在使用完链表后，在销毁链表的函数中就应释放掉这些内存。

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 ，多次的内存泄露会导致内存空间被浪费，导致卡顿，直至完全卡死。

C/C++程序的内存开辟

image-20220518224158827

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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解在《C语言初识》中讲的static关键字修饰局部变量的例子了。

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

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。

例如：

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。

例如：

//code1
typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

柔性数组的使用

//代码1
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
	p->a[i] = i;
}
free(p);

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

我们完全可以使用一个在结构体中引入一个指针成员，达到相似的效果。

//代码2
typedef struct st_type
{
	int i;
	int *p_a;
}type_a;
type_a *p = (type_a *)malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(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;

这两段代码可以完成相同的功能。

但是使用柔性数组有什么好处呢？

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。

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）

阅读：C语言结构体里的成员数组和指针 | 酷 壳 - CoolShell

标签：malloc,进阶,int,free,C语言,内存,动态内存,空间,函数
From： https://www.cnblogs.com/ncphoton/p/16950161.html

相关文章

  • 15.【C语言进阶】自定义类型
    结构体的声明常规的结构的声明太过简单常见，不再过多阐述。特殊声明在声明结构体的时候可以不完全的声明struct{ inti; doubled; charc;}x;struct{ inti;......
  • 13.【C语言进阶】数据的存储
    数据基本类型为什么会有不同的类型，这些类型有内存大小上的差异，那么他们还有什么差异呢？在内存中开辟空间的大小读取内存空间方式的差异 char//字符类型short//......
  • 14.【C语言进阶】指针
    简介指针的概念指针是个变量，用来存储地址。指针的大小只与是64位平台还是32位平台有关，与指针类型无关。指针类型决定了指针的解引用权限和读取方式。指针+-正数与指......
  • 19.C语言实现【通讯录】
    简单功能展示增加联系人功能。按照姓名排序功能。保存文件，重新启动重新加载功能。头文件contact.h//文件保存版#include<stdio.h>#include<string.h>#include<s......
  • 18.【C语言进阶】程序的编译
    程序的翻译环境和执行环境在ANSIC的任何一种实现中，存在两个不同的环境。第1种是翻译环境，在这个环境中源代码被转换为可执行的机器指令。第2种是执行环境，它用于实际执行......
  • 初识C语言（结构）
    前言：C语言是一种结构化的程序设计语言。对于新手来说要想学好一门编程语言，除了要了解编程的相关知识，更要了解其结构。“万层高楼平地起”结构就是地基中到比较重要的一环，所......
  • MySQL进阶实战6，缓存表、视图、计数器表
    一、缓存表和汇总表有时提升性能最好的方法是在同一张表中保存衍生的冗余数据，有时候还需要创建一张完全独立的汇总表或缓存表。缓存表用来存储那些获取很简单，但速度较慢......
  • c语言第一个程序及编译运行过程中问题相关说明
    #define_CRT_SECURE_NO_WARNINGS1#include<stdio.h>intmain(){printf("helloworld");return0;}1.当打开visualstudio，创建新项目后将如下所示页面不小心关闭则......
  • MySQL进阶实战8，分区表详解
    一、分区表分区表是一个独立的逻辑表，底层是由多个物理子表组成。实现分区的代码实际上是对一组底层表的句柄对象的封装。对分区表的请求，都会通过句柄对象转化成对存储引擎的......
  • Angular 复习与进阶系列 – 概念篇
    前言我已经2年没有写Angular,最近又要开始撸了.既然都要复习了,那就干脆也写一个系类当作半教程半深入理解Angular吧.适合阅读的人1.向我一样很长一段时间没有......

赞助商

阅读排行

网站主页关于我们联系我们网站地图

本网站内容转载自其他媒体，侵权联系[admin##ips99.com]。

Copyright © 2020-2023 IPS99 版权所有 IPS99