动态内存管理(重点）

其他 2022-06-11 22:44:00 阅读次数: 0

目录

1. 为什么存在动态内存分配

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

2.2 calloc

2.3 realloc

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

3.2 对动态开辟空间的越界访问

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

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3.5 对同一块动态内存多次释放

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

4. 几个经典的笔试题

试题1

试题2

试题3

试题4

5. C/C++程序的内存开辟

6. 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

1. 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：

  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。

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。

动态内存管理能力：

malloc

free

calloc

realloc

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

void* malloc (size_t size);

  • 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。

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：

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。

（ptr必须是malloc等动态内存开辟的函数定义的）

  • 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

int main()
{
    int* p = NULL;
    free(p);//什么事也不发生
    return 0;
}

malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main()
{
	//固定的，无法改变
	//int arr1[10];//40字节
	//char arr2[40];//40字节

	//申请空间
	int* ptr = (int*)malloc(40);
	int* p = ptr;
 //检查返回值
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");//打印错误
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}

	//释放空间
	free(ptr);
	ptr = NULL;
	//*ptr = 100;//非法访问

	return 0;
}

当我们不释放动态申请的内存的时候：

  • 如果程序结束，动态申请的内存由操作系统自动回收
  • 但如果程序不结束，动态内存是不会自动回收的，就会形成内存泄漏的问题

后果很严重！！！内存被耗干，电脑会死机

2.2 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

int main()
{
	//申请10个整型的空间
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//calloc申请的空间会被初始化为0
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", *(p + i));//0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

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。

2.3 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是 调整之后新大小（字节）
  • 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。

注意：扩容失败也会返回空指针

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);

	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	//使用
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
	}

	//空间不够,希望能放20个元素->考虑扩容
	int* ptr = (int*)realloc(p, 80);
	if (ptr != NULL)
	{
		p = ptr;
	}

	//扩容成功了，开始使用

	//不再使用，释放


	return 0;
}

3. 常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(1000);
	int i = 0;

	//解决办法：对malloc函数的返回值进行判空操作
	if (p == NULL)
	{
		//...
		return 1;
	}

	//使用
	for (i = 0; i < 200; i++)
	{
		*(p + i) = i;//当i=0时相当于p=NULL，不能对空指针解引用操作

	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

//解决办法：对内界边界要检查
int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	int i = 0;
	if (p == NULL)
	{
		//...
		return 1;
	}

	//使用
	//可能越界访问
	for (i = 0; i <= 20; i++)
	{
		*(p + i) = i;//条件写成了<=,会使当i是20的时候越界访问

	}

	return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	//局部变量编译器会释放，自己创建自己销毁

	//...

	free(p);
	p = NULL;

	return 0;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	//解决方法
	int* ptr = p;
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*p = i;
		p++;
	}
	
	//free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
	//p = NULL;

	free(ptr);
	ptr = NULL;

	return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	
	if (p == NULL)
	{
		return 1;
	}


	free(p);
	//...
	free(p);//err重复释放

	p = NULL;
	

	return 0;
}

3.6 动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

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 。

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
//忘记释放

if(1)
  return;
  
free(p);
p=NULL;//特殊情况，照样会内存泄漏
}


int main()
{
test();
while(1)
{
    ;
}
}

4. 几个经典的笔试题

试题1

#include <string.h>
//1.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//什么也没有
//被注释的代码是添加的正确写法

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);//内存泄漏
 // *p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
 //如何改正：
// GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");//对空指针的解引用操作，程序奔溃
	printf(str);
 //free(str);
 //str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}
//两种写法都没有问题
int main()
{
    char* p = "hehe\n";
    printf("hehe\n");//传过去的是字符串首元素地址
    
    char arr[] = "hehe\n";
    printf(arr);
    
    return o;
}

试题2

//2.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//烫烫烫烫烫烫烫烫铁?
//返回栈空间地址的问题
char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";
	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);//str野指针
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}


//举例
int* test()
{
	int a = 10;
	return &a;
}

int main()
{
	int* p = test();

	return 0;
}

试题3

//3.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//hello，但代码中没有free
void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	//忘记释放
	//正确改法：
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

试题4

//4.请问运行Test 函数会有什么样的结果？
//world
void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);//hello这部分空间已经被回收了
	//str = NULL;//free之后要把指针置为空下面的判断才有意义
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");//非法操作，野指针
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();
	return 0;
}

5. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域：

  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。（栈溢出） 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。

  1. 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（操作系统）回收。分配方式类似于链表。

  1. 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。

  1. 代码段：存放函数体（类成员函数和全局函数）的二进制代码。

6. 柔性数组

C99 中，结构体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。

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;
 
 int main()
 {
     return 0;
 }

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。

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4

return 0;
}

6.2 柔性数组的使用

//代码1
struct S3
{
	int num;//4
	int arr[];
};


int main()
{
	//printf("%d\n", sizeof(struct S3));//?
	struct S3* ps = (struct S3*)malloc(sizeof(struct S3)+40);
	if (ps == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	ps->num = 100;

	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}
	//for (i = 0; i < 10; i++)
	//{
	//	printf("%d ", ps->arr[i]);
	//}

	//扩容
	struct S3* ptr = (struct S3*)realloc(ps, sizeof(struct S3)+80);
	if (ptr == NULL)
	{
		perror("realloc\n");
		return 1;
	}
	else
	{
		ps = ptr;
	}

	for (i = 10; i < 20; i++)
	{
		ps->arr[i] = i;
	}//初始化

	
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		printf("%d ", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

6.3 柔性数组的优势

//代码2
struct S4
{
	int num;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S4* ps = (struct S4*)malloc(sizeof(struct S4));
	if (ps == NULL)
	{
		return 1;
	}

	ps->arr = (int*)malloc(40);
	if (ps->arr == NULL)
	{
		free(ps);
		ps = NULL;
		return 1;
	}
 //使用
 
 //释放
 free(ps->arr);
 ps->arr = NULL;

 free(ps);
 ps = 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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转载自blog.csdn.net/Ll_R_lL/article/details/124009989
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