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C语言进阶笔记（十） | 动态内存管理_int i : ramsizes

作者：菜鸟追梦旅行 | 2024-05-19 09:03:55

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int i : ramsizes

目录

为什么存在动态内存分配

动态内存函数绍

malloc和free

代码演示

calloc

代码演示 

realloc

realloc调整内存空间存在两种情况

代码演示

C/C++的内存开辟

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.对非动态开辟内存使用free释放 

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（内存泄漏） 

柔性数组

什么是柔性数组

柔性数组的特点

代码演示

柔性数组的优势 

第一个好处是：方便内存释放

第二个好处是：这样有利于访问速度

为什么存在动态内存分配

我们已经掌握了部分内存开辟的方式，比如：

  1. int a = 10;
  2. float f = 1.1;
  3. int arr[10] = { 0 }；//等等

但是，这些开辟内存空间的方式有两个特点：

1. 空间开辟大小是固定的。

2. 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。

然而对于空间的需求，有时候我们需要的空间大小在程序运行的时候才能知道，那上述开辟空间的方式就不能满足了，这时候就需要动态存开辟了。

动态内存函数绍

malloc和free

malloc

函数定义：void *malloc( size_t size );

头文件：<stdlib.h>或<malloc.h>

这个函数向内存申请一块连续可用大小为size个字节的空间，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的行为是标准未定义的，取决于编译器。

free

函数定义：void free( void *ptr );

头文件：<stdlib.h>或<malloc.h>

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。

代码演示

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//开辟10个整型的空间
  7. 	//检查开辟失败
  8. 	if (p == NULL)
  9. 	{
  10. 		perror("main");//打印错误原因信息
  11. 		return 0;
  12. 	}
  13. 	//使用
  14. 	int i = 0;
  15. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  16. 	{
  17. 		*(p + i) = i;
  18. 	}
  19.  
  20. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  21. 	{
  22. 		printf("%d ", p[i]);
  23. 	}
  24.  
  25.     //用完需要自己将空间还回操作系统
  26. 	free(p);//free不会自动将p变为空指针，有非法访问的风险
  27. 	p = NULL;//因此需要自己把 p 设为NULL
  28.  
  29. 	return 0;
  30. }

调试结果 

calloc

函数定义：void *calloc( size_t num, size_t size );

头文件：<stdlib.h>或<malloc.h>

函数的功能是为 num 个大小为 size 字节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。

代码演示 

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	//int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  7. 	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//二者开辟的内存空间大小相同
  8.  
  9. 	if (p == NULL)
  10. 	{
  11. 		perror("calloc");
  12. 		return 0;
  13. 	}
  14.  
  15. 	int i = 0;
  16. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  17. 	{
  18. 		printf("%d ", p[i]);//0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
  19. 	}
  20.  
  21. 	free(p);
  22. 	p = NULL;
  23.  
  24. 	return 0;
  25. }

调试结果

realloc

函数定义：void *realloc( void *ptr, size_t size );

头文件：<stdlib.h>或<malloc.h>

ptr 是要调整的内存地址；

size 调整之后新空间的大小；

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调整内存空间存在两种情况

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

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。 

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。 

代码演示

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	//int* p = (int*)realloc(NULL, 40);//这里功能类似于malloc，直接在堆区开辟40个字节空间
  7. 	
  8. 	//int* p = (int*)malloc(40);
  9. 	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  10.  
  11. 	if (p == NULL)
  12. 	{
  13. 		perror("calloc");
  14. 		return 0;
  15. 	}
  16.  
  17. 	int i = 0;
  18. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  19. 	{
  20. 		p[i] = i;
  21. 		printf("%d ", p[i]);//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 
  22. 	}
  23.  
  24. 	
  25. 	int* ptr = (int*)realloc(p, 20*sizeof(int));//返回值可能与原p不同，所以需要接收返回值  
  26. 	//但如果堆区空间不够调整失败会返回空指针NULL，所以不能直接用p接收
  27.  
  28. 	if (ptr == NULL)
  29. 	{
  30. 		perror("realloc");
  31. 		return 0;
  32. 	}
  33.  
  34. 	p = ptr;
  35.  
  36. 	for (i = 10; i < 20; i++)
  37. 	{
  38. 		p[i] = i;
  39. 		printf("%d ", p[i]);//10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
  40. 	}
  41.  
  42. 	free(p);
  43. 	p = NULL;
  44.  
  45. 	return 0;
  46. }

C/C++的内存开辟

我们之前接触的开辟的内存基本上都是在栈上开辟的，那到底什么是栈呢？

之前我在《C语言学习笔记（四） | 函数》和《C语言进阶笔记（七） | 自定义类型1 结构体（详解）》两篇博文中有提及到，但是没有详细介绍。

其实C/C++内存分配区域大致划分为四个区域的，分别为栈区、堆区、数据段（静态区）、代码段等，其中栈区一般存放局部变量、函数形参；堆区一般存放动态内存（malloc、calloc、free、realloc等函数操作的内存空间）；数据段一般存放全局变量、静态变量（static修饰的变量）。

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。

这里，我们讲的动态内存便是在堆区开辟的。

有了这幅图，我们也就可以更好的理解在《C语言初识笔记》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。

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.对非动态开辟内存使用free释放
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（内存泄漏）

 1.对NULL指针的解引用操作

  1. #include<stdlib.h>
  2.  
  3. int main()
  4. {
  5. 	int* p = (int*)malloc(10000000000000000000);
  6. 	//若开辟失败返回值为NULL，可能有问题
  7. 	for (int i = 0; i < 10; i++)
  8. 	{
  9. 		*(p + i) = i;
  10. 	}
  11.    free(p);
  12.    p = NULL;
  13.  
  14. 	return 0;
  15. }

2.对动态开辟空间的越界访问 

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  7. 	if (p == NULL)
  8. 	{
  9. 		perror("malloc");
  10. 		return 1;
  11. 	}
  12. 	for (int i = 0; i < 40; i++)//err 越界访问
  13. 	{
  14. 		*(p + i) = i;
  15. 	}
  16.  
  17. 	free(p);
  18. 	p = NULL;
  19.  
  20. 	return 0;
  21. }

3.对非动态开辟内存使用free释放 

  1. #include<stdlib.h>
  2.  
  3. int main()
  4. {
  5. 	int arr[10] = { 0 };
  6. 	int* p = arr;
  7. 	
  8. 	//使用...
  9.  
  10. 	free(p);//err  对非动态开辟内存使用free释放
  11. 	p = NULL;
  12.  
  13. 	return 0;
  14. }

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分 

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  7. 	if (p == NULL)
  8. 	{
  9. 		perror("malloc");
  10. 		return 1;
  11. 	}
  12.  
  13. 	for (int i = 0; i < 5; i++)
  14. 	{
  15. 		*p++ = i;
  16. 	}
  17.  
  18. 	free(p);//err  p不再指向动态内存的起始位置
  19. 	p = NULL;
  20.  
  21. 	return 0;
  22. }

5.对同一块动态内存多次释放

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. int main()
  5. {
  6. 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  7. 	if (p == NULL)
  8. 	{
  9. 		perror("malloc");
  10. 		return 1;
  11. 	}
  12.  
  13. 	//使用...
  14.  
  15. 	free(p);
  16. 	free(p);//err  重复释放
  17. 	p = NULL;
  18.  
  19. 	//free(p);
  20. 	//p = NULL;//紧跟置空可避免此错误造成影响
  21. 	//free(p);
  22. 	//p = NULL;
  23.  
  24. 	return 0;
  25. }

6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏） 

  1. #include<stdio.h>
  2. #include<stdlib.h>
  3.  
  4. void test()
  5. {
  6. 	int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  7. 	if (p == NULL)
  8. 	{
  9. 		perror("malloc");
  10. 		return;
  11. 	}
  12.  
  13. 	//使用...
  14. }
  15.  
  16. int main()
  17. {
  18. 	test();
  19. 	//函数结束后p被销毁，但开辟的动态内存空间不会被回收，无法再释放被开辟的动态内存空间
  20. 	//形成内存泄漏问题
  21.  
  22.     //被开辟的动态内存空间两种回收方式
  23. 	//1.主动free
  24. 	//2.程序结束
  25.  
  26. 	//...
  27.  
  28. 	return 0;
  29. }

柔性数组

什么是柔性数组

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。

例如：

  1. struct S
  2. {
  3.     int i;
  4.     int a[0];//柔性数组成员
  5. };

 有些编译器会报错无法编译可以改成：

  1. struct S
  2. {
  3.     int i;
  4.     int a[];//柔性数组成员
  5. };

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。

代码演示

代码1 柔性数组

  1. #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
  2.  
  3. #include<stdio.h>
  4.  
  5. struct S1
  6. {
  7. 	int n;
  8. 	int arr[];//大小未知  柔性数组
  9. };
  10.  
  11. int main()
  12. {
  13. 	//开辟空间  期望arr的大小是10个整型
  14. 	struct S1* ps = (struct S1*)malloc(sizeof(struct S1) + 10 * sizeof(int));
  15. 	//                                      n的空间            arr的空间
  16.  
  17. 	if (ps == NULL)
  18. 	{
  19. 		return 1;
  20. 	}
  21. 	
  22.  
  23. 	//使用
  24. 	ps->n = 10;
  25. 	int i = 10;
  26. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  27. 	{
  28. 		ps->arr[i] = i;
  29. 	}
  30. 	
  31. 	//增加
  32. 	struct S1* ptr = (struct S1*)realloc(ps, sizeof(struct S1) + 20 * sizeof(int));
  33. 	if (ptr != NULL)
  34. 		ps = ptr;
  35.  
  36. 	//使用
  37. 	for (i=10; i < 20; i++)
  38. 	{
  39. 		ps->arr[i] = i;
  40. 	}
  41.  
  42. 	//打印
  43. 	for (i = 0; i < 20; i++)
  44. 	{
  45. 		printf("%d ", ps->arr[i]);
  46. 	}
  47. 	printf("\n");
  48.  
  49. 	//释放
  50. 	free(ps);
  51. 	ps = NULL;
  52.  
  53. 	//sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
  54. 	printf("%d\n", sizeof(*ps));//4
  55.  
  56. 	return 0;
  57. }

代码2 非柔性数组

  1. #define _CRT_SECURE_NO_WARNINGS
  2.  
  3. #include<stdio.h>
  4.  
  5. struct S2
  6. {
  7. 	int n;
  8. 	int* p;
  9. };
  10.  
  11. int main()
  12. {
  13.  
  14. 	struct S2* ps = (struct S2*)malloc(sizeof(struct S2));
  15.  
  16. 	if (ps == NULL)
  17. 	{
  18. 		return 1;
  19. 	}
  20.  
  21. 	//使用
  22. 	ps->n = 10;
  23. 	ps->p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
  24. 	int i = 0;
  25. 	for (i = 0; i < 10; i++)
  26. 	{
  27. 		ps->p[i] = i;
  28. 	}
  29.  
  30. 	//增加
  31. 	int* ptr = (int*)realloc(ps->p, 20 * sizeof(int));
  32. 	if (ptr != NULL)
  33. 		ps->p = ptr;
  34.  
  35. 	//使用
  36. 	for (i = 10; i < 20; i++)
  37. 	{
  38. 		ps->p[i] = i;
  39. 	}
  40.  
  41. 	//打印
  42. 	for (i = 0; i < 20; i++)
  43. 	{
  44. 		printf("%d ", ps->p[i]);
  45. 	}
  46. 	printf("\n");
  47.  
  48. 	//释放
  49. 	free(ps);
  50. 	ps = NULL;
  51.  
  52. 	//sizeof 返回的这种结构大小包括指针大小
  53. 	printf("%d\n", sizeof(*ps));//8
  54.  
  55. 	return 0;
  56. }

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，那大家是否会疑惑，为什么还要有柔性数组呢？

因为 代码1 的实现有两个好处

柔性数组的优势 

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。

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