动态内存管理 --- C语言

目录

1.为什么存在动态内存管理

2.动态内存函数的介绍

2.1 malloc 与 free 

2.2 calloc

2.3 realloc

3.常见的动态内存错误

4.几个经典笔试题

6.柔性数组

1.为什么存在动态内存管理

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
int 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. 空间开辟的大小是固定的。
2. 数组在声明的时候，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内存开辟了。
 

2.动态内存函数的介绍

要使用动态内存开辟，我们就有会使用相关的函数，有四个：malloc , calloc , realloc , free 要包含头文件 <stdlib.h> 。

2.1 malloc 与 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。

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。

1. 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。
2. 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<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>//malloc

int main()
{
	//存放整形  
	int* p = (int*)malloc(20);//申请20个字节的空间，将 void* 强制类型转换为(int*)
	if (p == NULL)//如果申请失败，返回空指针
	{
		//开辟失败
		printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	//不初始化的话，在堆区都是0xcd 
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*(p + i) = i+1;//初始化
	}
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//打印
	}

	//释放
	free(p);//free不会让p置空，只是p指向的空间不再属于我们
	p = NULL;//置空p

	return 0;
}

2.2 calloc

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（alloc 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>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
	}

	for (int i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ",p[i]);
	}

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

calloc 会将开辟空间的每个比特位初始化为0 

 calloc 和 malloc 区别

1.参数不同

2.都是在堆区上申请空间，但是malloc不初始化，calloc会初始化为0

3.因为 malloc 不初始化，所以效率会比较高，在使用时要看具体情况。

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

情况2：原有空间之后没有足够大的空间

图示：

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∶

1. 在堆空间上另找一个合适大小的连续空间来使用。
2. 将原来空间的数据拷贝到新的空间，新开辟的新空间不会被赋初值。
3. 释放旧的空间。
4. 返回的是一个新空间的地址。

由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。举个例子∶

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
    //该开始空间是20个字节
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("malloc:%s\n", strerror(errno));
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i + 1;//赋初值
	}

	//将p指向的空间调整为40字节大小

	int* ptr = (int*)realloc(p, 40);

	//调整空间失败，会返回空指针，所以要用临时变量来接受
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
		//使用
		for (i = 5; i < 10; i++)
		{
			p[i] = i + 1;
		}
		for (i = 0; i < 10; i++)
		{
			printf("%d ", p[i]);
		}
	}
	else
	{
		printf("realloc:%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
	}
	
	//释放
	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

注意：

当我们调整空间时，可能会调整空间失败，这时我们就要创建一个新的临时变量来接收这个地址，不能直接拿原来空间的地址来接受。这样是为了当空间创建失败时不会影响原来的数据。

realloc 也可以像 malloc 一样申请空间

realloc 第一个参数可以是空指针NULL，这时他的作用与 malloc 的作用相同

int main()
{
	int* p = (int*)realloc(NULL, 20);//malloc(20)
	return 0;
}

3.常见的动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

#include<stdio.h>

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	//可能会出现对空指针的解引用操作
	//所以对malloc函数的返回值要判断
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

2.对动态开辟的内存空间越界访问

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	//越界访问 只能访问5个int
	for (i = 0; i < 10; i++)//访问了10个int，错误
	{
		p[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

#include<stdio.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 1,2,3,4,5 };
	int* p = arr;
	free(p);
	p = NULL;//错误
	return 0;
}

4.使用free只释放一块动态开辟内存的一部分

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 5; i++)
	{
		*p = i + 1;
		p++;
	}

	//p不是开辟空间的首地址
	free(p);//错误
	p = NULL;

	return 0;

}

5.对同一块动态内存多次释放

#include<stdio.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}

	//释放一块空间后不能再释放
	free(p);
	free(p);//错误
	p = NULL;

	//而释放空指针，什么都不会发生，所以释放完要置空
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;

}

6.动态开辟的内存忘记释放（内存泄漏）

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(20);//出了函数也不会回收内存，这片空间再也找不回来了
	//局部变量p函数调用结束会释放
	//释放后找不到这块空间
}

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

malloc,calloc,realloc,所申请的空间，如果不想使用，需要free释放
如果不释放，程序结束后，也会由操作系统回收

如果不使用free释放空间，程序也不结束
会内存泄露，这片空间一直不使用，等于浪费掉了

4.几个经典笔试题

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);
}

错误点：

1.调用GetMemory函数的时候，str传参为值传递，p是str的临时拷贝，
所以在GetMemory函数的内部将动态内存开辟的地址放在p中的时候，不会影响str
所以GetMemory函数返回之后，str中依然是NULL指针，strcpy函数就会调用失败，
原因是对NULL的解引用操作，程序会崩溃

2.GetMemory函数内容malloc申请的空间没有机会释放，造成了内存泄漏 

3.没有判断是否开辟空间成功

注意：

printf(str) 与 printf("hello world") 等价，因为str是常量字符串的首字节地址。

char* str = "hello world";
printf("hello world");
printf(str);
printf("%s\n",str);
printf("%s\n","hello,world");

题目2：

#include<stdio.h>
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

错误点：

1.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str
但是数组的内存出了函数就会回收
而str依然保存了数组的起始地址，这时如果使用了str，str就是野指针

2.没有判断开辟空间是否成功

题目3：

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

错误点：

1.没有判断开辟空间是否成功

2.释放完空间没有置空，str为野指针

题目4：

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

错误点：

1.没有释放动态开辟的内存

2.没有判断开辟空间是否成功

5.C/C++程序的内存开辟分区

 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。

⒉.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。

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。

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：

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，可改为：

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。

代码1： 

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

struct S
{
	int n;
	char c;
	int arr[];//或 int arr[0];  柔性数组成员
	//大小可以是未知的
};

int main()
{
    printf("%d\n", sizeof(struct S));//8 最大对齐数的整数倍,不包括柔性数组的大小

	//                                 8 n和c的空间        40  柔性数组的内存
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;//赋值
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);//打印
	}

	//调整柔性数组arr的大小
	struct S *ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 20 * sizeof(int));
	if (ptr == NULL)
	{
		printf("realloc:%s", strerror(errno));
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}
	
	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

上面的柔性数组 也可以设计为 结构体中指针方式

代码2：

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

struct S
{
	int n;
	char c;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
	if (ps == NULL)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));//打印错误信息
		//perror();
		return 1;
	}
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc2:");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	//使用
	ps->n = 100;
	ps->c = 'w';
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}
	//扩容
	ptr = (int*)realloc(ps->arr,80);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("malloc3:");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;//给新开辟的空间赋值
	}
	//打印
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

柔性数组的好处：

上述代码1和代码2可以完成同样的功能，但是代码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)

总结：

柔性数组需要 malloc 一次，free 一次，而结构体中指针的方式需要使用 malloc free 各两次。

malloc 越多，内存碎片就越多，内存使用率就会下降，访问速度也会下降。

本篇结束 

文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-516738.html

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