C语言进阶——动态内存管理
目录
一、为什么存在内存分配
二、动态内存函数
1、malloc
2、free
3、calloc
4、realloc
三、常见的动态内存错误
1、对NULL指针的解引用操作
2、对动态开辟空间的越界访问
3、使用free释放非动态开辟内存
4、使用free释放一块动态开辟内存的一部分
5、对同一块动态内存多次释放
6、动态开辟内存忘记释放
四、几个经典笔试题
五、C/C++程序的内存开辟
1、栈区(stack)
2、堆区(heap)
3、数据段
4、代码段
六、柔性数组
1、柔性数组的特点
2、柔性数组的使用
3、柔性数组的优势
一、为什么存在内存分配
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
●数组在声明时,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。
二、动态内存函数
1、malloc
c语言提供了一个动态内存开辟的函数。
语法: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的返回值一定要检查
●返回值类型是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的行为是标准未定义的,取决于编译器
2、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。
语法: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,则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
注:
●malloc和free函数都声明在stdlib.h头文件中。
●malloc和free成对出现
例:
int main()
{int arr[10];int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));//将返回类型void*强制转换为int*if(p==NULL){printf("malloc error\n");//perror("main");return 0;}for(int i=0;i<10;i++){*(p+i)=i;printf("%d ",p[i]);}free(p);p=NULL;//需要手动置空return 0;
}
3、calloc
C语言还提供了一个用来动态内存分配的函数calloc。
●语法:void* calloc(size_t num,size_t size);
●函数的功能为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
4、realloc
realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。有时我们发现过去申请的空间太小了,有时候又会觉得申请的空间太大了。为了合理的使用内存,我们会对内存的大小做灵活地调整,那realloc函数就可以做到对动态开辟内存大小的调整。
●语法:void* realloc(void* ptr,size_t size);
●ptr是要调整的内存地址,size是调整之后新大小,返回值为调整之后的内存起始地址
●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在调整内存空间时存在两种情况:
情况1:原有空间之后有足够大的空间,这时就要扩展内存,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:原有空间之后没有足够大的空间,这时就要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。
三、常见的动态内存错误
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 teat()
{int* p=(int*)malloc(10*sizeof(int));if(p==NULL){exit(EXIT_FAILURE);}for(int i=0;i<=40;i++){*(p+i)=i;}free(p);p=NULL;
}
3、使用free释放非动态开辟内存
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);p=NULL;
}
5、对同一块动态内存多次释放
void test()
{int* p=(int*)malloc(100);free(p);//第一次free后,置成空,再free一次就没问题free(p);
}
6、动态开辟内存忘记释放
忘记释放不再使用的动态开辟的内存空间会造成内存泄漏
void test()
{int* p=(int*)malloc(100);if(p!=NULL){*p=20;}
}
int main()
{test();return 0;
}
四、几个经典笔试题
例1:请问运行Test函数会有什么结果?
void GetMemory(char* p)
{p=(char*)malloc(100);
}
void test(void)
{char* str=NULL;GetMemory(str);//值传递,getmemory函数没有影响str的值strcpy(str,"hello world");//这时str仍然是空指针printf(str);//没有释放
}
例2:请问运行Test函数会有什么结果?
char* GetMemory(void)
{char p[]="hello world";//p是临时变量return p;//函数结束,p生命周期结束,p就被释放了
}
void Test(void)
{char* str=NULL;str=GetMemory();//str仍然为NULLprintf(str);
}
int main()
{Test();return 0;
}
例3:请问运行Test函数会有什么结果?
void GetMemory(char* p,int num)
{*p=(char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{char* str=NULL;GetMemory(&str,100);strcpy(str,"hello");printf(str);//没有free
}
例4:请问运行Test函数会有什么结果?
void Test(void)
{char* str=(char*)malloc(100);strcpy(str,"hello");free(str);//提前释放,str没有置空if(str!=NULL)//非法访问{strcpy(str,"world");printf(str);}
}
五、C/C++程序的内存开辟
内核空间 (用户代码不能改写) |
栈区:栈 (向下增长) |
内存映射段 (文件映射、动态库、匿名映射) |
堆区:堆 (向上增长) |
静态区:数据段 (全局数据、静态数据) |
静态区:代码段 (可执行代码/只读变量) |
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。栈区主要存放陨星函数而分配的局部变量、函数参数、返回数据、返回地址等。
2、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OD回。分配方式类似于链表。
3、数据段
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(类成员变量和全局函数)的二进制代码。
六、柔性数组
在C99中,结构中的最后一个元素允许是位置大小的数组,这就叫做柔性数组成员。
typedef struct st_type
{int i;int a[];//柔性数组成员
}type_a;
//或
typedef struct st_type
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
1、柔性数组的特点
●结构中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员
●sizeof返回这种结构大小不包括柔性数组成员
●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
typedef struct S
{int i;int a[0];//柔性数组成员
}s;
int main()
{printf("%d\n",sizeof(s));//输出的是4struct S* ps=(struct* S*)malloc(sizeof(struct S)+10*sizeof(int));return 0;
}
2、柔性数组的使用
//代码1
int i=0;
s* p=(s*)malloc(sizeof(s)+100*sizeof(int));
p->i=100;
for(i=0;i<100;i++)
{p->a[i]=i;
}
free(p);
3、柔性数组的优势
上述的s结构也可以设计为
//代码2
typedef struct st_type
{int i;int *p_a;
}s2;
s2* p=(s2*)malloc(sizeof(s2));
p->i=100;
p->p_a=(int*)malloc(p->i*sizeof(int));//业务处理
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;
代码1和代码2可以完成一样的功能,但是代码1有两个好处:
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情。因此,我们把结构体的内存以及成员要的内存一次性分配好,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给释放掉。
2、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。
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