动态内存管理
- 前言
- 一、 为什么要有动态内存分配
- 二、 malloc和free
- 2.1 malloc
- 2.2 free
- 三、calloc和realloc
- 3.1 calloc
- 3.2 realloc
- 四、常见的动态内存的错误
- 4.1 对NULL指针的解引用操作
- 4.2 对动态开辟空间的越界访问
- 4.3 对非动态开辟内存使用free释放
- 4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
- 4.5 对同一块动态内存多次释放
- 4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
- 五、动态内存经典笔试题分析
- 5.1 题目1:
- 5.2 题目2:
- 5.3 题目3:
- 5.4 题目4:
- 六、 柔性数组
- 6.1 柔性数组的特点:
- 6.2 柔性数组的使用
- 6.3 柔性数组的优势
- 七、 总结C/C++中程序内存区域划分
前言
在C语言中,动态内存管理是指程序运行时,通过调用特定的函数动态地分配和释放内存空间。动态内存管理允许程序在运行时根据实际需要来分配内存,避免了静态内存分配在编译时就确定固定大小的限制。
C语言中动态内存管理主要通过以下两个函数来实现:
malloc
函数:malloc
函数用于动态分配内存空间,其函数原型为void *malloc(size_t size)
。该函数从堆中分配size
个字节的连续内存空间,并返回指向该内存空间的首字节的指针。如果分配失败,则返回NULL
。free
函数:free
函数用于释放之前通过malloc
函数分配的内存空间,其函数原型为void free(void *ptr)
。该函数将ptr
指针所指向的内存空间释放,并将该内存空间标记为可用,可以被后续的malloc
函数重新分配。
使用malloc
和free
函数可以实现动态内存的分配和释放,但需要注意以下几点:
使用
malloc
函数分配内存后,需要检查返回值是否为NULL
,以确保内存分配成功。如果返回值为NULL
,说明内存分配失败。在使用完动态分配的内存后,需要及时调用
free
函数释放内存空间,避免内存泄漏。动态内存分配后,需要确保在不再使用该内存空间时释放内存,否则会造成内存泄漏,导致程序运行过程中内存不断被占用,最终导致系统内存耗尽。
动态内存分配的空间大小可以根据实际需要进行调整,灵活地满足程序的需求。
总的来说,C语言的动态内存管理能够提供灵活的内存分配和释放机制,可以有效地管理内存资源,提高程序的执行效率和可扩展性。但在使用过程中,需要注意合理分配和释放内存,并避免内存泄漏的问题。
一、 为什么要有动态内存分配
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,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。
二、 malloc和free
2.1 malloc
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。
malloc
生成的空间是在堆区
使用malloc开辟0空间是没有意义的,不同编译器会出现不同的结果
int * p = (int* )malloc(0);if(p == NULL){perror("malloc : ");return 1;}
2.2 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,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。
举个例子:
#include #include int main(){int num = 0;scanf("%d", &num);int arr[num] = {0};int* ptr = NULL;ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));if(NULL != ptr) //判断ptr指针是否为空{int i = 0;for(i=0; i<num; i++){*(ptr+i) = 0;}}free(ptr); //释放ptr所指向的动态内存ptr = NULL; //是否有必要?return 0;}
free
会将开辟的空间返回,但是p
还是指向那个空间的起始位置,所以我们需要将p
置为NULL
,才保证不会出现野指针
释放空间free(p);p = NULL;
三、calloc和realloc
3.1 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 #include int main(){int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));if(NULL != p){int i = 0;for(i=0; i<10; i++){printf("%d ", *(p+i));}}free(p);p = NULL;return 0;}
输出结果:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 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
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
情况1
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2
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。
由于上述的两种情况,realloc
函数的使用就要注意一些。
#include #include int main(){int *ptr = (int*)malloc(100);if(ptr != NULL){//业务处理}else{return 1;}//扩展容量//代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中ptr = (int*)realloc(ptr, 1000); //这样可以吗?(如果申请失败会如何?)//代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中,不为NULL,在放ptr中int*p = NULL;p = realloc(ptr, 1000);if(p != NULL){ptr = p;}//业务处理free(ptr);return 0;}
realloc
使用要基于已开辟的空间,及被malloc
,calloc
,realloc
开辟过,realloc
除了开辟空间外,还可以实现和malloc
一样的功能
int* p = (int* )realloc(NULL,100); //等价于int* p = (int* )malloc(100);if(p == NULL){perror(" realloc :"); } free(p); p = NULL;
在VS2022中,出现如图所示的情况,一般都是没有进行开辟空间没有判断,但也会出现编译器自己识别错误的原因,因为机器始终不是万能的,所有的事物都会出现一些bug。
四、常见的动态内存的错误
4.1 对NULL指针的解引用操作
没有对开辟空间是否为空进行判断
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);}
4.2 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);}
4.3 对非动态开辟内存使用free释放
free
函数只能释放堆区的内存,不能释放栈区的内存。根据引用和引用的内容,可以得出以下结论:
free
函数不能释放在栈上开辟的内存。因为栈上的内存是由系统自动管理的,不需要手动释放。free
函数主要用于释放malloc
、calloc
和realloc函数动态分配的堆内存。delete
操作符一般用于释放new
操作符动态分配的堆内存。
所以,free
函数只能释放堆区的内存,不能释放栈区的内存。
void test(){int a = 10;int *p = &a;free(p); //ok" />}
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
系统释放空间的方式有两种:第一种是在栈区上,系统会在程序结束后自己释放,第二种便是堆区
void test(){int *p = (int *)malloc(100);p++;free(p); //p不再指向动态内存的起始位置}
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}
4.6 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。
切记:动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放。
五、动态内存经典笔试题分析
5.1 题目1:
调用函数传入指针,都是一级指针,按照变量来理解,需要用到二级指针来接收地址,不然如下p
只是str
的一份临时拷贝,而改变不了str
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?
5.2 题目2:
p
是临时变量,从函数出去后,系统会自动释放空间
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?
5.3 题目3:
malloc
函数是可以使用变量的
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?
5.4 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?
六、 柔性数组
也许你从来没有听说过柔性数组(flexible array)这个概念,但是它确实是存在的。
在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;
6.1 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小。
例如:
typedef struct st_type{int i;int a[0]; //柔性数组成员}type_a;int main(){printf("%d\n", sizeof(type_a)); //输出的是4return 0;}
6.2 柔性数组的使用
//代码1#include #include 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));//业务处理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。
6.3 柔性数组的优势
上述的type_a
结构也可以设计为下面的结构,也能完成同样的效果。
//代码2#include #include 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));//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;return 0;}
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。(其实,我个人觉得也没多高了,反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址)
扩展阅读:C语⾔结构体⾥的数组和指针
七、 总结C/C++中程序内存区域划分
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。