【C进阶】-- 动态内存管理

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了【C进阶】-- 动态内存管理。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方,请大家不吝赐教,您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

目录

1. 为什么存在动态内存分配❓

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free✅

①申请:1️⃣

②使用:2️⃣

 ③释放:3️⃣

2.2 calloc

🧨与malloc的区别:

2.3 realloc

3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

🎇3.2 对动态开辟空间的越界访问

3.3对非动态开辟内存使用free释放🍕

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分🍟

3.5 对同一块动态内存多次释放🍔

解决方法🍚

🎈3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)?

情况1:如果不使用free释放:程序结束之后,也会由操作系统回收🚩

情况2:如果不使用free释放,程序也不结束,内存泄露🏳‍🌈

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1: 对NULL指针追加字符串

 4.2 题目2:数组在栈空间创建的销毁问题🎉

 4.3 题目3:程序正常执行但内存泄露🎯

4.4 题目4:野指针使用问题🎮


1. 为什么存在动态内存分配❓

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:

1. 空间开辟大小是固定的。
2. 数组在申明的时候,必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。

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

2. 动态内存函数的介绍

2.1 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);

假设有人在内存中申请20个字节的空间写成这样是肯定没错的:

void* p=  malloc (20);

  • 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。

void*指针需要注意的特点有:

1.可以接收任意类型的地址(也就是无具体类型的指针)

2.不能+-*/,不能解引用操作,非常麻烦

并且如果在这20个byte里面存放1,2,3,4,5五个整型,那就应该用整型指针接收

int* p=(int*) malloc (20);

这里再提一下内存:

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关于malloc的使用的整体的过程:①申请②使用③释放

整体呈现的代码:

int main()
{	//申请
	int* p = (int*)malloc(20);
	//使用
    if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	int i = 0;
    //初始化:
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
     //释放 
     free(p);
  //置为空指针   
  p = NULL;
     return 0;

}

①申请:1️⃣

int* p = (int*)malloc(20);

  • 这个函数向内存申请一块连续可用的空间,如果开辟成功,并返回指向这块空间的指针。

if (p == NULL)
    {
        printf("%s\n", strerror(errno));
    }

  • 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。
  • 由于malloc是可能申请失败的,失败的原因有:

  1.申请开辟的内存空间过大

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 2.可能内存不足(设计到linux,不便阐述)

虽然申请了空间,但是操作系统并没有真正的给使用者,只是一个虚拟空间的映射,当使用者真正用到的时候,才会使用内存

3.不确定的地方⁉❎

  • malloc申请0个字节的空间?!

如果参数 size 0malloc的行为是标准是未定义的,取决于编译器

②使用:2️⃣

写法一:指针解引用

int i = 0;
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        *(p + i) = i + 1;
    }
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("%d ", *(p + i));
    }

在内存窗口地址处输入p即可监视值的变化

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写法二:想象成数组

【C进阶】-- 动态内存管理

for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        p[i] = i + 1;
    }
    for (i = 0; i < 5; i++)
    {
        printf("%d ",p[i]);
    }

两种写法的运行结果都是:

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 需要注意的点是:malloc申请的空间不初始化,打印是随机值 

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#include<stdio.h>
#include<errno.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}

	free(p);

	return 0;

}

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 换成16进制打印:

printf("%x ", *(p + i));

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 ③释放:3️⃣

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 );
                                          "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。

意思是ptr指向的那块空间一定是动态内存开辟到的一块空间,要是ptr随便指向一块空间,让它free一下,那是不行的

如果参数 ptr NULL指针,则函数什么事都不做。

要是ptr本来就是一个空指针,那free之后什么事情都不会发生

free之前,可以看到p的地址

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 free之后,地址没有改变!💢【C进阶】-- 动态内存管理

如果有使用者去使用p的话,那它就是一个野指针了,free这个函数不会帮指针p置空的⭕

  • 要避免野指针问题:free完要主动置为空指针, 这两步不要忘记了:

free(p);//1

p=NULL;//2

2.2 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);

#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("calloc()-->%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", p[i]);
	}
	//释放
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

注意:这段代码是没有初始化任何元素的

执行:

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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:

 【C进阶】-- 动态内存管理

可以看到里面20个字节全部初始化为0了

🧨与malloc的区别:

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👓因为calloc要初始化元素,所以效率是没有malloc高的,根据实际情况去选择吧。👓

2.3 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:
⇨ 情况 1 :原有空间之后有 足够大的空间
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🎃本地扩容:

realloc不会释放空间,free的就是旧的地址(p指向的那块的空间),这块空间地址是连续的,所以会根据地址的顺序连续释放掉

情况2:原有空间之后没有足够大的空间

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🎩异地扩容:

1.realloc会找更大的空间
2.将原来的数据拷贝到新的空间

3.释放旧的空间 --> realloc函数会自己处理,不用我们手动释放(不用手动free)

重新找了一片空间(ptr指向那块空间)进行扩容,那realloc会先将数据拷贝到(ptr指针指向的)新地址处,再将旧(p指向)的空间释放掉


4.返回新空间的地址

realloc返回的是新的地址-->(ptr指针存的地址)

3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

#include<stdio.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(20);
	//可能出现对NULL指针的解引用操作
	//所以malloc函数的返回值要判断
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
   
	return 0;
}

malloc有可能申请失败,返回NULL指针,可能出现对NULL指针的解引用操作,所以malloc函数的返回值要判断

🎇3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include<stdio.h>
int main() {
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//可能出现对NULL指针的解引用操作
	//所以malloc函数的返回值要判断
	int i = 0;
	//越界访问 
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

打开内存监视可以发现:

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✨发现:

这里越界了,等于甚至超过下标为5它依旧会初始化,但不会发生错误,只有到程序执行到free那一步才会发生错误

个人理解:

这个是因为vs对于越界的检查是不太严格的,可以理解为抽查,可能会检查到,也可能检查不到。

3.3对非动态开辟内存使用free释放🍕

arr创建这个变量在栈上,不在堆上

注意:数组也是变量,可以理解为它是一种特殊的变量类型,是由同一类型的元素组成的

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };
	int* p = arr;

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

}
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

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分🍟

#include<stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p = NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 0; 
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p++;
	}
	//释放
	free(p);
	return 0;
}
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原因:
申请了40个字节,如果要释放整块空间,必须提供起始位置地址才能释放掉,如果提供中间位置地址,那程序会崩溃的。

3.5 对同一块动态内存多次释放🍔

错误代码:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	//使用
	free(p);

	free(p);
	p = NULL;

	return 1;
}

重复释放malloc申请开辟的空间会导致程序崩溃

解决方法🍚

free(p);

p=NULL;//这是解决的方法🍭

free(p);  //置空之后,这里什么事情都不干

p=NULL;

🎈3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)?

写一下前面malloc,calloc,realloc的共同之处:

malloc--calloc--realloc
1️⃣所申请的空间,如果不想使用,需要free释放

❗❗

2️⃣如果不使用free释放:程序结束之后,也会由操作系统回收

注意:函数结束和程序结束不是一回事,整个程序的生命周期到了结束了,它会释放这个内存的。
3️⃣如果不使用free释放,程序也不结束,
内存泄露 

情况1:如果不使用free释放:程序结束之后,也会由操作系统回收🚩

#include<stdio.h>
test()
{
    int* p = (int*)malloc(20);
}
int main()
{
    test();
    return 0;
}

情况2:如果不使用free释放,程序也不结束,内存泄露🏳‍🌈

问:什么时候程序不结束?

答:死循环

#include<stdio.h>
test()
{
    int* p = (int*)malloc(20);
}
int main()
{
    test();
   while (1);
    return 0;
}

main函数中,死循环 程序没有结束 那么那段空间也就一直没有释放

死循环那是因为:
while(1);    相当于while(1){};

条件是1永远是真,while(1)一直运行,那就是死循环了

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1: 对NULL指针追加字符串

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;
}

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 注意点:

1.str是值传递,不是地址,可以理解为一个特殊的变量

2.如果在GetMemory函数里面free的话,又违背了这题的初衷,因为它就想返回动态内存开辟的空间,然后让strcpy函数将字符串追加到首地址上去

解决问题:

🌈写法一:通过返回值的方式带回100个字节的地址

char* GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
	return p;//修改位置
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str=GetMemory(str);//修改位置
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	free(str);//修改位置
	str = NULL; //修改位置
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

把申请的100个字节的起始地址返回来,由指针变量str接收

⚡简洁写法:不需要传参

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;
}

💧写法二:通过二级指针的方式

 插叙一条重要的知识点:

#include<stdio.h>
int main()
{
    char* p = "hehe\n";//这里是把"hehe\n"放到p里面去了?不是,把这个表达式(字符串)首字符h的地址,放到p里面去了 
    

    printf("hehe\n");//这里其实是把字符串首字符的地址传给了printf

    return 0;
}

回到原题:

这题的问题出现在哪?str是值传递,传给p的时候p是str的一份临时拷贝,对形参的修改不会影响str,把指针变量的str的地址取出来,写成&str,那形参就该写成char**p,这样的处理方法是不用通过返回值也能把地址带回来

void* GetMemory(char**p)
{
	* p = (char*)malloc(100);//这里*p就是str
}
void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);//关于这里的疑惑可以看上面插叙的知识
	free(str);
	str = NULL;
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

以上三种写法结果都是:

【C进阶】-- 动态内存管理

 4.2 题目2:数组在栈空间创建的销毁问题🎉

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test()
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
int main()
{
	Test();
	return 0;
}

执行结果:

【C进阶】-- 动态内存管理

返回栈空间地址的问题:

GetMemory函数内部创建的数组是临时的,虽然返回了数组的起始地址给了str,但是数组的内存出了GetMemory函数就被回收了,而str依然保存了数组的起始地址,这时如果使用str,str就是野指针

看到这是不是觉得跟某一题很眼熟🥽

【C进阶】-- 动态内存管理

关于左右两段代码,区别是一个在堆区,一个在栈区,左边位于堆区的那个GetMemory函数出了函数,那段空间还保留着,没有销毁,而右边位于栈区的那段空间,出了GetMemory函数就由操作系统回收了

简单提一下函数栈帧的现象:

int* test()
{
	int a = 10;
	return &a;
}


int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);

	return 0;
}

【C进阶】-- 动态内存管理

 由上面提到的知识我们可知这个p是野指针,但是依然记得这块空间的地址,并且打印该值

可是加上了这一段之后,p的值就改变了

int* test()
{
    int a = 10;
    return &a;
}


int main()
{
    int* p = test();
    printf("hehe\n");//添加的
    printf("%d\n", *p);
    return 0;
}

【C进阶】-- 动态内存管理

 4.3 题目3:程序正常执行但内存泄露🎯

void GetMemory(char **p, int num)
{
 *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
 char *str = NULL;
 GetMemory(&str, 100);
 strcpy(str, "hello");
 printf(str);
}

执行结果:

【C进阶】-- 动态内存管理

错误:

内存泄露

该注意的点:

这题是可以正常执行的,内存泄露看的是:空间有没有正常释放,不看程序结束之后的结果 

申请的内存由于某种原因没有被及时释放,导致内存空间被占用但无法再被程序使用或回收,导致内存泄露

4.4 题目4:野指针使用问题🎮

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

执行:

【C进阶】-- 动态内存管理

free是将空间还给操作系统了,但是地址是没有销毁的,这个str还是保存的之前的地址,但

是继续这样访问是不对的,因为空间已经不属于str了

简单来说就是:空间是销毁还给操作系统了,地址还记着,依旧使用

图解:

【C进阶】-- 动态内存管理

 代码修改:

void Test(void)
{
 char *str = (char *) malloc(100);
 strcpy(str, "hello");
 free(str);

str=NULL;//修改位置
 if(str != NULL)
 {
 strcpy(str, "world");
 printf(str);
    }
}

接下来还有柔性数组等的知识,欢迎大佬补充文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-441351.html

到了这里,关于【C进阶】-- 动态内存管理的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容,请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章,希望大家以后多多支持TOY模板网!

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