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动态内存管理

时间：2024-05-28 11:58:19浏览次数：31  
标签：malloc 管理 int void free 内存 动态内存 include

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1. 为什么要有动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟⽅式有：

	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

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，必须指定数组的⻓度，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。
    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。

2. malloc和free

2.1 malloc

C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数：

	void* malloc (size_t size);

在这里插入图片描述

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。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	
	char* arr = (char*)malloc(10);
	if (arr == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return;
	}
	else
	{
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(arr + i));
		}
	}
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

开辟之后是随机值，需要自己手动初始化。

2.2 free

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);

在这里插入图片描述
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。
    malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
    举个例⼦：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* ptr = NULL;
	ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		//对开辟空间初始化为0
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(ptr + i) = 0;
		}
		//打印
		for (int i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(ptr+i));
		}
	}
	
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//是否有必要？
	//free(ptr)
	return 0;
}

有必要的，很有可能会成为野指针，也可以形成一个良好的习惯。

3. calloc和realloc

3.1 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。原型如下：

	void* calloc (size_t num, size_t size);

在这里插入图片描述

  • 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。
    举个例⼦：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", *(p + i));
		}
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
所以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。

3.2 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，那为了合理的使用内存，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：
	void* realloc (void* ptr, size_t size);

在这里插入图片描述

  • 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

在这里插入图片描述

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。
由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意⼀些

4. 常见的动态内存的错误

4.1 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);
 }

4.2 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);
 }

4.3 对非动态开辟内存使⽤free释放

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

4.4 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
 }

4.5 对同⼀块动态内存多次释放

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

4.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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。
切记：动态开辟的空间⼀定要释放，并且正确释放。

5. 动态内存经典笔试题分析

5.1 题⽬1：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char*p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	//对空指针进行了解引用操作，程序会崩溃
	//没有释放空间，内存会泄露
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}

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

运行结果：
在这里插入图片描述
正确改进：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

void GetMemory(char**p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	//对空指针进行了解引用操作，程序会崩溃
	//没有释放空间，内存会泄露
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

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

运行结果：
在这里插入图片描述

5.2 题⽬2：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;//p出作用域就销毁了
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

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

运行结果：
在这里插入图片描述

5.3 题⽬3：

#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);
}

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

运行结果：
在这里插入图片描述

5.4 题⽬4：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <assert.h>
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	assert(str != NULL);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);//虽然被释放掉了，但是没有置为空，此时就是个野指针
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

6. 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：

struct st_type
{
	int i;
	int a[0];//柔性数组成员
};

有些编译器会报错⽆法编译可以改成：

struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
};

6.1 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：
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
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述

6.2 柔性数组的使用

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

int main()
{
	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;
	}
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		printf("%d ", p->a[i]);
	}
	free(p);
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
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。

6.3 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。

//代码2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.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->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));

	//业务处理
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	for (int i = 0; i < 100; i++)
	{
		printf("%d ", p->p_a[i]);
	}

	//释放空间
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

运行结果：
在这里插入图片描述
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户。用户调⽤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，并返回给⽤⼾⼀个结构体指针，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）

7. 总结C/C++中程序内存区域划分

在这里插入图片描述
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。
    《函数栈帧的创建和销毁》
  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。

标签：malloc,管理,int,void,free,内存,动态内存,include
From： https://blog.csdn.net/weixin_70238476/article/details/139225318

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