【C语言】动态内存

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平凡的人1 发表于 2022/09/18 20:11:09 2022/09/18
【摘要】 【C语言】动态内存

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：
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，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

动态内存函数

malloc和free

对于函数的使用，我们首先要知道：malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中

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。

有了动态内存的开辟，那我们自然就要有回收和释放，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。

对于malloc和free我们有了一定的了解，现在，我们可以举个例子进行演示一下：

#include <stdio.h>
#include <errno.h>
int main()
{
	int arr[10] = { 0 };
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

image-20220714133714349我们可以看到，free（p）之后，p的地址还是没发生变化的，所以最合适的方法就是把p置为NULL.

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。==
    举个例子 :
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

image-20220714134401531

对于malloc和calloc的关系，我们可以称为：calloc = malloc+memset

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

    image-20220714134734156

    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 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 !

    #include <errno.h>
#include <stdio.h>
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (NULL == p)
	{
		printf("%s\n", strerror(errno));
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i + 1;
	}
	//扩容
	int*ptr= realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

    image-20220714135239764

image-20220714135414887

对于开辟内存比较小的情况下，我们可以看到，对于p和ptr的地址是一样的

image-20220714135555516

对于开辟内存比较大的情况下，我们可以看到，对于p和ptr的地址是不一样的，对应上面两种情况！！！

动态内存错误

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(EXIT_FAILURE);
}
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);
}

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);//此时p的位置已经发生了变化，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();
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。

动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放

经典笔试题

题目一：

void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
    //p出函数之后会被销毁,会存在内存泄漏
    //没有free
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);
    //内存泄漏，str仍然为NULL
strcpy(str, "hello world");
    //代码崩溃！！！
printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

正确的版本：

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

题目二：

char *GetMemory(void)
{
    char p[] = "hello world";
    //局部数组，出函数之后，p空间就不存在了，内容不知道了
    return p;
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();//str是野指针
    printf(str);
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

题目三：

void GetMemory(char **p, int num)
{
    *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
    //忘记free
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

正确的版本：

void GetMemory(char **p, int num)
{
    *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);
    free(str);
    str = NULL;
}
int main()
{
    Test();
    return 0;
}

题目四：

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

正确的版本：

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

C/C++程序的内存开辟

image-20220714143201080

C/C++程序内存分配的几个区域：

  • 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。

有了这幅图，我们就可以更好的理解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。

柔性数组

对于柔性数组，我们可能是比较陌生的，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以改成：

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。

举个例子：

#include <stdio.h>
typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

image-20220714144023310

柔性数组的使用

//代码一
#include <stdio.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));
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

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。

柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为 :

//代码二
#include <stdio.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));
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 100; i++)
	{
		p->p_a[i] = i;
	}
	//释放空间
	free(p->p_a);
	p->p_a = NULL;
	free(p);
	p = NULL;
}

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。

好了，关于柔性数组我就先介绍到这里结束了。

总结

回顾一下，本篇博客我们主要介绍了C语言动态内存的相关知识，从为什么会存在动态内存分配开始，逐渐深入，认识了动态内存函数以及相关的使用，以及说明了一些常见的动态内存错误。通过对于动态内存的了解，我们还说明了几道经典的笔试题，以及介绍了内存开辟的相关知识，最后引入了柔性数组的相关概念知识。通过这一篇博客，我们对于动态内存有了更进一步的了解，就先到这里结束了🌹

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