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C一语言—动态内存管理

5 人参与  2024年09月23日 14:41  分类 : 《随便一记》  评论

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目录

一、为什么要有动态内存管理

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(举例均为错误演示)

(4.1)对空指针的解引用操作

(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

(4.4)使用free释放动态开辟内存的一部分

(4.5)对同一块动态开辟的内存多次free

(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)柔性数组的优势

七、总结C/C++中程序内存区域划分


一、为什么要有动态内存管理

正常情况下,我们可以通过创建一个变量或者创建一个数组来在栈上开辟空间,例如:

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,必须指定数组的⻓度,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,如下:(该函数包含在头文件stdlib.h里)

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。它具有以下特点:

• 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。

例如,现在想开辟一块空间来存放int类型的数据:

(2.2)free

C语⾔提供了另外⼀个函数free,专⻔是⽤来做动态内存的释放和回收的,函数原型如下:

free函数⽤来释放动态开辟的内存。具有以下特点:

• 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。

free和malloc一样,都声明在 stdlib.h 头⽂件中。

举个例子:

运行效果:

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:

该函数的特点:

• 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。

例子:

运行效果:

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

函数原型如下:

该函数具有以下特点:

• 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。
 

• ptr 是要调整的内存地址。
• size  调整之后的新⼤⼩。
• 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。

如图:

当是情况1的时候,要扩展内存就直接在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,并把原空间数据拷贝到新空间,并释放原空间。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。例子:

四、常见的动态内存的错误(举例均为错误演示)

(4.1)对空指针的解引用操作

例如:

(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

(4.4)使用free释放动态开辟内存的一部分

(4.5)对同一块动态开辟的内存多次free

(4.6)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。

五、动态内存经典笔试题分析

(5.1)题目1

运行结果:

从上述运行结果中可以看出程序崩溃了。

解释:

通过调试可以发现,指针str作为函数GetMemory的参数并没有传递地址,所以形参的改变不会影响到实参,即p的改变不会影响str,函数结束时str仍为空,所以调用strcpy函数时会报错。

(5.2)题目2

运行效果:

解释:在GetMemory函数中开辟的数组空间会随着函数的结束而销毁,地址虽然返回回来了,但空间已经销毁了,这时在去用str访问这块空间,里面的内容是随机的。

(5.3)题目3

运行效果:

解释:动态开辟的空间不会随着函数的结束而被销毁,Test中将str的地址传给GetMemory函数,所以形参可以影响到实参,即str指向了malloc申请的空间,所以strcpy函数可以正常使用,打印也没问题,但是这里忘记释放动态开辟的空间了,会造成内存泄漏。

(5.4)题目4

运行效果:

解释:这里虽然打印成功,但是这个代码是有问题的,str指向的空间已经被释放掉了,但是free函数不会将指针置空,所以这里访问了一块已经被销毁的空间。

六、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:

有些编译器会报错⽆法编译可以改成:

(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:

代码1:

(6.2)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:

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⼾。⽤⼾调⽤free可以释放结构体,但是⽤⼾并不知道这个结构体内的成员也需要free,所以你不能指望⽤⼾来发现这个事。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,并返回给⽤⼾⼀个结构体指针,⽤⼾做⼀次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。

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:
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(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。
3. 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。                      4. 代码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的⼆进制代码。


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