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一、动态内存管理
1. 为什么要有动态内存分配
常见的两种内存开辟方式有:
int var = 20; // 在栈空间上开辟4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。
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函数和free函数
2.1 malloc函数
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。
【示例】:内存的申请
2.2 free函数
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。
- 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。
【示例】:空间的申请及释放
#include<stdlib.h>
int main()
{
// 申请20个字节的空间
int* p = (int*)malloc(20);
if (p == NULL) // 判断是否为空指针
{
perror("malloc");
return 1;
}
// 不为空指针就可以使用
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
// 内存的释放
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
注意
:
- 传递给free函数的是要释放的内存空间的起始地址。所以for循环中赋值时不要去改变p指针的指向。
- 空间释放之后p的指针还是指向这里的,但由于已经没有使用权限了,p就成了一个野指针,所以要及时将p置为空指针。
- malloc和free函数都是对堆区的空间进行操作的,不能对其他区域的空间进行操作。
3. calloc函数和realloc函数
3.1 calloc函数
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】:空间申请
使用malloc函数
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 申请5个整形大小的空间
if (p != NULL)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
malloc函数申请的空间是随机值。
使用calloc函数
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)calloc(5, sizeof(int)); // 申请5个整形大小的空间
if (p != NULL)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
printf("%d ", *p);
}
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
使用calloc函数申请空间会直接把每个字节初始化为0,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函数
- 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:
◦ 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
【示例】:调整空间大小
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 申请空间
if (p != NULL)
{
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
}
// 调整空间大小, 调整为40个字节空间大小
int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));
if (ptr != NULL)
{
p = ptr;
for (int i = 5; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1;
}
// 打印
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
free(p);
p = NULL;
}
else // 调整失败
{
perror("realloc");
}
return 0;
}
realloc函数调整空间大小有两种情况:
情况一: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。
情况二: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。
还有一种情况就是空间调整失败了,调整失败会返回一个空指针(NULL)。
4. 常见的动态内存错误
4.1 对NULL指针的解引用操作
void test()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
*p = 20; //如果p的值是NULL,就会有问题
free(p);
}
这里一定要对p进行判断,避免p是一个空指针。
4.2 对动态开辟空间的越界访问
void test()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if (p != NULL)
{
for (int i = 0; i <= 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1; //当i是10的时候越界访问
}
}
free(p);
p = NULL;
}
malloc申请的空间和数组非常相似,都是一个连续的空间,所以要对边界进行把控,避免越界访问。
4.3 对非动态开辟内存使用free释放
int main()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
注意
:free只能释放动态申请的空间,而局部变量是在栈区的,无法用free释放。
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100); // 申请100个字节大小的空间
if (p == NULL)
{
return 1;
}
for (int i = 0; i < 10; i++)
{
*p = i + 1;
p++; // 这里的p不再是动态申请的内存的起始位置
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
这里的p已经不再指向起始位置,不能对其使用free进行释放。
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
}
这种对动态内存重复释放也是错误的,但可以避免,就是在第一次释放后及时将p置为空指针。
4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
int main()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p != NULL)
{
*p = 20;
}
while (1);
return 0;
}
动态申请空间未释放会导致这一部分内存无法再次被申请,会一直占用,导致内存泄漏。
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
【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);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
分析:Test函数里面调用GetMemory函数,而GetMemory函数里面开辟了一个100个字节大小的空间,但由于是传值调用,出GetMemory函数时这个申请的空间就被销毁了,所以Test函数里的str还是一个空指针,将字符串拷贝到空指针中必定会对空指针进行解引用操作,导致程序崩溃。
解决:GetMemory使用传址调用,直接对str进行开辟空间,使用完之后及时对开辟空间进行释放,str置为空指针。
【题目2】:
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
分析:Test函数里面将GetMemory的返回值返回给str,但由于GetMemory函数调用后p就被销毁了,导致str成为了一个野指针,无法打印hello world,这就是返回栈空间地址的问题。
【题目3】:
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
分析:Test函数里面将str进行传址调用,在GetMemory函数里面申请100个字节大小的空间,将hello拷贝到str所指向的空间中,但是使用之后并没有使用free函数进行释放,导致内存泄漏。
解决:申请的空间使用完之后要使用free函数进行释放,并将str置为空指针。
【题目4】:
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
请问运行Test 函数会有什么样的结果?
分析:Test函数里面str申请了100个字节的空间,将hello拷贝到str所指向的空间中,就直接用free释放掉了,导致str成了野指针,之前将hello拷贝到str中,所以str一定不是空指针,所以下面的if语句一定会执行,打印str空间里的内容会对野指针进行操作导致程序崩溃。
二、柔性数组
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。
【示例】:
struct S
{
int i;
int arr[0]; // 柔性数组成员
//有些编译器会报错⽆法编译可以改成:int arr[];
};
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于。
【示例】:
struct S
{
int n;//4个字节
int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S));
return 0;
}
sizeof只计算不包括柔性数组的内存,所以柔性数组成员前面必须至少一个其他成员,不然结构体的大小将为0。
2. 柔性数组的使用
【示例】:
代码1
#include<stdlib.h>
struct S
{
int n;//4个字节
int arr[];//柔性数组
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 5 * sizeof(int));
if (ps == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
ps->n = 100;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
// 释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
malloc函数中sizeof(struct S)计算的是除了柔性数组的空间,后面的才是给柔性数组申请的空间。当然
代码2
struct S
{
int n;
int* arr;
};
int main()
{
struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));
if (ps == NULL)
return 1;
ps->arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
if (ps->arr == NULL)
return 1;
ps->n = 100;
for (int i = 0; i < 5; i++)
{
ps->arr[i] = i;
}
// 调整空间大小
int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 10 * sizeof(int));
if (ptr == NULL)
return 1;
ps->arr = ptr;
// 使用
//...
// 释放
free(ps->arr);
free(ps);
return 0;
}
3. 柔性数组的优点
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。
三、C/C++中程序内存区域划分
- 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。
- 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。
- 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。
- 代码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。