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【C语言】动态内存管理

【C语言】动态内存管理

一、为什么有动态内存分配

在进入正文前,我们简单了解一下变量在内存中的位置(在最后具体讲):

函数形参,局部变量:栈区

动态开辟的空间:堆区

全局变量,静态变量(static修饰的变量):静态区

我们现在掌握的内存开辟方式:

int val = 3;  //在栈区开辟了一块4个字节的空间

char arr[9];  //在栈区开辟了9个字节的连续空间

上面开辟空间的方式有两个特点:

  • 空间开辟的大小是固定的
  • 数组在声明时,必须指定数组的长度,数组空间一旦确定大小就不能调整 

然而,在使用空间时,仅仅是上面的方式不能满足我们的需求。我们往往只有在程序运行后才知道要使用多少空间,而数组的空间在编译时就确定了,无法满足我们的需求。 

例如:char arr[100]; 之后我们输入了20个字符,空间过大产生浪费;但是我们输入200个字符,空间不够,内存泄漏

这时候我们就可以使用动态内存分配来解决。

二、动态内存分配函数

动态内存分配函数的定义都在头文件stdlib.h中,使用前一定要包含该头文件。

2.1 malloc

2.1.1 介绍

功能:向堆区申请一块连续可用的空间

返回值:返回指向该块空间的指针(void*类型)

说明:

  • 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NULL指针,因此一定要对malloc的返回值做检查。
  • 返回值的类型是void*,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用时使用者自己来决定。
  • 如果参数size为0,malloc的行为的标准未定义,取决于编译器。

2.1.2 使用

2.2 free

2.2.1 介绍

 

功能:释放动态开辟的内存

返回值:void

说明:

  • 如果参数ptr指向的空间不是动态开辟的,那free的行为是未定义的。
  • 如果参数ptr是NULL指针,则free什么都不会做。

2.2.2 使用

在上面的代码中,我们并没有释放动态开辟的空间,这里将它不全。

为什么释放完p指向的动态空间后要将p置为空指针?

malloc动态开辟空间后,那块空间我们就能随意使用。但是,当free释放掉那块空间后,那块空间的使用权限还给了操作系统,而free并不会改变p的值,这时p指向的是未知空间,p为野指针。

结论:free释放动态空间后,要将指向该空间的指针置为空指针。

2.3 calloc

2.3.1 介绍

功能:与malloc一样,开辟一块连续空间

返回值:返回指向该块空间的指针

说明:

  • 第一个参数为元素个数,第二个参数为每个元素的大小
  • 为num个大小为size的元素开辟一块空间,并且把空间每个字节初始化为0
  • 其他都与malloc一样 

2.3.2 使用

所以,当我们对动态开辟的空间的内容有初始化的需求,就可以使用calloc一次性完成。

2.4 realloc

2.4.1 介绍

功能:可以对已经动态开辟的内存空间进行调整。

返回值:返回指向调整后的空间的指针。

说明:

  • ptr是要调整的内存地址。
  • size是调整后的新大小。
  • 返回值为调整之后的起始位置。
  • 该函数调整原空间的内存大小的基础上,会把元内存中的数据移动到新的空间。

realloc在调整内存空间存在两种情况:

①情况1:原有的空间后面有足够的空间

这种情况,要扩展内存只要在原有内存后直接追加空间,原来的空间数据不发生变化

②情况2:原有的空间后面没有足够的空间

这种情况,编译器会执行以下操作:

  1. 在堆区的内存中找一个新的空间,并且新的空间大小要满足要求
  2. 将原来空间的数据拷贝一份到新的空间
  3. 释放旧的空间
  4. 返回新的空间的起始位置

当然,还有第三种情况,也就是调整空间失败,返回NULL指针。 

2.4.2 使用

由于realloc调整失败会返回NULL,用含有有效地址的指针接受容易导致找不到这些有效的值,导致内存泄漏,所以会新建一个指针接受返回值,判断返回值不为空后赋值给要使用的指针。

输出:

三、常见的动态内存的错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

大家可以看一下这代码是否正确?

这代码基本没有问题,但就错在没有判断malloc的返回值。

如果p为NULL,那这代码还能正常运行吗?肯定不行,就出现了对NULL指针解引用的操作。

3.2 对动态开辟空间的越界访问

这代码是否能发现错误呢?

很明显的,对动态开辟的空间越界访问了。

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

这就是对非动态开辟空间使用free释放,会导致编译器报错。

记住:free只能对动态内存函数开辟的进行释放。

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

这个代码看起来似乎没有问题,但每次循环,p指向的地址就发生一次变化:

如果对此时的p用free释放,会导致动态开辟的空间没能全部释放,会造成内存泄漏。

3.5 对同一块动态内存多次释放

我们这代码量很少,很荣就能看出来对同一块动态内存释放了两次,但代码多了就不一定了,这样同样会导致编译器报错。

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

我们没有在函数中释放,之后这块内存就再也无法释放,而这程序不会结束,就会导致内存泄漏。

虽然程序结束也能自动释放,但是我们要养成自己手动释放不再使用的动态内存。

切记:动态开辟的空间一定要释放,而且要正确的释放。

四、动态内存经典笔试题

4.1 题目一

test函数运行后发生什么?

无法运行。原因就是str一直都是NULL,strcpy函数中对NULL解引用了。

具体分析一下:

4.2 题目二

同样,运行test后会发生什么。

为什么会出现乱码呢?为什么不是输出hello world呢?

具体分析一下:

4.3 题目三

这次运行又会发生什么呢?

输出完全符合,这代码没有一点问题。但真的是这样吗?

这代码出现了我们上面提到的常见错误中的一种:内存泄漏

在GetMemory进行传址调用,解决题目一的错误,但是在Test函数中,在使用完str后没有对str用free函数释放动态空间,这就导致了程序会出现内存泄漏的问题。

当然,细心的读者能发现没有检查malloc的返回值,前面的代码也都没有,这也是错误,所以我们在写代码时应当注意这些问题。

4.4 题目四

这个函数输出又是什么呢?

输出似乎没有问题,但编译器已经发出了警告:

为什么会有这两条警告呢?

首先第二条:自然是没有对malloc的返回值进行检查。

然后是第一条:我们发现,在free释放了str后,仍然使用str去使用并解引用了,这就出现了对野指针的解引用问题。在free释放了str后,str已经是野指针,所以前面强调free后要让指针置空。

这里就是对于动态内存中的4道笔试题,相信大家知道错在哪后能自己更改对代码,这里就不更改了,留给大家修改。

五、柔性数组

柔性数组这个概念你可能从来没听过,但是这个概念真实存在。在C99中,结构体最后一个成员允许是位置大小的数组,这也叫作【柔性数组】成员。

有些编译器对于这种柔性数组成员的写法会报错,可以改写成:

5.1 柔性数组的特点

  • 结构体中的柔性数组成员前面必须至少有一个其他成员。
  • sizeof返回的这种结构体大小不包括柔性数组的内存。
  • 包含柔性数组成员的结构体用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体的大小,以适应柔性数组的预期大小。

 

5.2 柔性数组的使用

既然无法通过定义变量直接使用,那么我们如何使用柔性数组呢?

就用第三个特点,使用malloc函数开辟动态空间后就能使用了。

5.3 柔性数组的优点

下面的代码也能实现上面的操作

虽然这两个代码可以完成同样的操作,但是柔性数组的代码有两个优点:

①第一个优点: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。

②第二个优点:有利于访问速度

连续的内存有利于提高访问速度,也有益于减少内存碎片。(虽然我觉得也没有提升多高,依然是使用偏移量的加法寻址) 。

六、C/C++中程序内存区域划分

C/C++程序内存分配的几个区域:

  1. 栈区: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,但是分配的内存储量有限。栈区主要存放运行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。
  2. 堆区:一般由程序员分配释放,若程序员不释放,程序结束时可能有OS回收。分配方式类似于链表。
  3. 数据段(静态区):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(类似成员函数和全局变量)的二进制代码。

我们目前主要了解栈区,堆区和静态区即可。 

这就是动态内存管理的全部内容,感谢欣赏!!!

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