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C语言之动态内存管理、柔性数组

时间：2024-09-07 23:52:26浏览次数：15  
标签：数组 int free C语言 内存 动态内存 柔性 ptr

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前言

一、为什么要有动态内存分配

二、常用函数（都声明在 stdlib.h 头文件中）

三、常见的动态内存的错误

四、柔性数组

总结

前言

        本文讲述C语言动态内存管理的基础知识，另外包括柔性数组的基本知识。

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一、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，必须指定数组的长度，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。因此才有了动态内存管理，在堆上面开辟内存。

科普：C语言内存划分区域有：堆（Heep）、栈（Stack）、静态区（Static Area）、常量区（Constant Area）、代码区（Code Area）

二、常用函数（都声明在 stdlib.h 头文件中）

1.malloc和free

maillc：

C语言提供了⼀个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

功能：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（强制类型转换）。
  • 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。

注意：在堆上面开辟的空间在不需要时，需要手动释放（free），否则会导致内存泄漏等问题

free:

C语言提供了另外一个函数free，专门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);

功能：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。

示例：

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

int main()
{
	int* ptr = NULL;

	ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//申请10个int大小的空间

	if (NULL != ptr)//判断ptr指针是否为空
	{
		int i = 0;
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			*(ptr + i) = i;
			printf("%d ", ptr[i]);
		}
	}
	
	free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
	ptr = NULL;//置空，防止野指针

	return 0;
}

运行结果：

注意：最后 free 掉申请的空间后，记得手动将指针置空，避免野指针。

2.calloc 和 realloc

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);

  • 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。

示例：

#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：

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。

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);

  • 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：
  1. 情况1：原有空间之后有足够大的空间
  2. 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。并且原空间会被自动被释放

示例：

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

int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);

	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理...
	}
	else
	{
		return 1;
	}
	
	//扩展容量

	//代码1 -直接将realloc的返回值放到ptr中
	ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗？如果申请失败会如何？

	//代码2 -先将realloc函数的返回值放在p中，不为NULL，再放ptr中
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 1000);

	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理...
	free(ptr);

	return 0;
}

注意：代码1不可取，因为 realloc 可能会申请失败，所以应先判断再赋值。

三、常见的动态内存的错误

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);
}

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(0);
	}

	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
	}

	free(p);
}

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.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
}

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
}

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();
}

切记：动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放。

四、柔性数组

        也许你从来没有听说过 柔性数组（flexiblearray）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
};

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。

示例：

#include <stdio.h>

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

}type_a;

int main()
{
	printf("%zu\n", sizeof(type_a));
	return 0;
}

运行结果：

我们发现柔性数组并未占据有效内存，所以，我们一般不用这种方法声明变量，而是使用 malloc 函数来为柔性数组申请空间

2.柔性数组的使用

#include <stdio.h>
#include <stdlib.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;
	}
	free(p);

	return 0;
}

解析：如上，我们使用 malloc 函数为一个 type_a 类型变量申请空间，sizeof(type_a) 计算出来的是4，刚好是为 i 申请的空间，剩下的 100 * sizeof(int) 100个int大小的空间就都是给的柔性数组。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。所以我们可以根据自己需要自定义柔性数组大小。

3.柔性数组的好处

  1. 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。
  2. 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）

总结

        以上就是本文的全部内容了，感谢支持。

标签：数组,int,free,C语言,内存,动态内存,柔性,ptr
From： https://blog.csdn.net/x_p96484685433/article/details/142004107

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