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⭐️欢度国庆-共约C语言进阶⭐️ 动态内存管理+柔性数组【 建议收藏 】_CS_z_jun的博客

29 人参与  2022年02月20日 08:36  分类 : 《随便一记》  评论

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目录

前言

为什么存在动态内存分配

动态内存函数的介绍

malloc和free函数

malloc函数:

free函数

calloc函数

realloc函数

常见的动态内存错误

几个经典的笔试题

C/C++程序的内存开辟

柔性数组

柔性数组的特点

柔性数组的使用和优势


前言


本文章主要讲解:

  1. 动态内存管理的使用即注意事项
  2. 有关于动态内存管理的寄到笔试题讲解
  3. 柔性数组的使用

为什么存在动态内存分配


  • 一般的开辟空间方式:
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
  • 特点:
空间开辟大小是固定的数组申明必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配
但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,由此动态内存开辟就来了

动态内存函数的介绍


malloc和free函数

malloc函数:

  • 作用:
一个用来动态内存开辟的函数(开辟空间单位为字节)
  • 定义:
void* malloc (size_t size);
  • 注意:
  1. 这个函数向内存申请一块连续可用的空间,并返回指向该空间的指针
  2. 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针,并且所开辟的空间内容都为随机值
  3. 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
  4. 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(需要用强制类型转化成所需要的指针类型,便于空间访问)
  5. 如果参数 size 为0malloc的行为是标准是未定义的,取决于编译器

free函数

  • 作用:
专门是用来对动态开辟的内存进行释放和回收
  • 定义:
void free (void* ptr);
  • 注意:
  1. 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
  2. 如果参数 ptr NULL指针,则函数什么事都不做
注: malloc free 都声明在 stdlib.h 头文件中
  • 示例:
#include <stdio.h>
int main()
{
 //代码1
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};//err
 //代码2
 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? 很有必要
 return 0; }
  • 问:为真么free ptr后依旧需要将ptr置为空指针
  • 举个特别的例子:
  • 再问:如果忘记free动态申请的空间地址,会怎么样

如果它在程序中一直没有使用,那么就会导致内存的白白占用(此时不是内存泄漏)

而如果它在程序中没有被free就被指向另一块地址了(或者该被被销毁),那么就会导致这块地址在这个进程中永远无法被找到(即内存泄露:无用的内存越来越大,操作系统得一直给这个进程分配内存)

所以要么主动free,要么只能等进程结束(自动释放内存,不建议)

calloc函数

  • 作用:

同样也是用来开辟动态内存的函数

  • 定义:
void* calloc (size_t num, size_t size);
  • 注意:
  1. 第一个参数num开辟空间个数,第二个参数size为每个开辟空间的大小(单位为字节)
  2. 对于所开辟的空间会被初始化为0(与 malloc 的唯一区别,即返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化为全0)
  • 示例:
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
     int *p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
     if(NULL != p)
     {
         //使用空间
     }
     free(p);
     p = NULL;
     return 0; 
}
  • 效果:

realloc函数

  • 作用:

用来调整动态开辟空间的大小(可大可小,更具需求来调整)

  • 定义:
void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • 注意:
  1. 参数 ptr 是要调整的内存地址(一定是动态申请空间的首地址)
  2. size 调整之后新大小(单位为字节)
  3. 返回值为调整之后的内存起始位置(同样需要更具需要进行强制类型转化来访问空间)
  • realloc在调大内存空间时存在两种情况:

  • 情况1:原有空间之后有足够大的空间
  1. 要扩展内存就直接原有内存之后直接追加空间
  2. 原来空间的数据不发生变化
  3. realloc()将返回原指针
  • 情况2:原有空间之后没有足够大的空间
  1. 堆空间上找到另一个空间(合适大小的连续空间,足够所要开辟空间的大小)来开辟
  2. 同时将原来开辟空间所存有的内存进行拷贝,拷贝后则将原来开辟的空间还给电脑
  3. 如果申请成功函数返回的是一个新的内存地址
  4. 如果申请开辟失败,则将返回NULL,此时,原来的指针仍然有效
  • 示例:
//扩展容量
#include <stdio.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
     //业务处理
 }
 else
 {
     exit(EXIT_FAILURE);    
 }
  • 错误申请:
 //代码1
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?)

如果申请失败返回NULL,再将ptr赋值为NULL,则原来动态开辟空间地址丢失

  • 正确申请:
 //代码2
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
 {
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0; 
 }

常见的动态内存错误


  • 示例1:NULL指针的解引用操作
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);
}
  • 正确示例:
void test()
{
    int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
    if(p!=NULL)
    {
       *p = 20; 
    }
    free(p);
    p=NULL;
}

注:对于动态内存开辟一定要考虑开辟失败的情况

  • 示例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)
 {
//开辟失败则结束进程
 exit(EXIT_FAILURE);
 }
 for(i=0; i<=10; i++)
 {
 *(p+i) = i;//当i是10的时候越界访问(非法行为)
 }
 free(p);
 p==NULL;
}

注:越界访问是非法的操作,所以一定要注意范围是否符合

  • 示例3:对非动态开辟内存使用free释放
void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?  
}

注:对非动态开辟的空间free是非法的

  • 示例4:使用free释放一块动态开辟内存的一部分
void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}
  • 注意:
  1. free一定是释放开辟内存的首起始位置
  2. ++/–在某些情况下是具有副作用的,如果在上述情况下需要使用的话,可以先保给原地址进行一个备份
  • 示例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
}
  • 注意:
  1. 对释放的空间一定要进行及时的置空,并且不能重复释放同一空间,如果及时置空,再次free也只是free空地址,对空地址free不会有任何操作
  2. 即使有两个指向同一内存的,也只能free一个,因为释放完之后,原有的内存空间已经释放掉了,再进行释放就是重复释放
  • 示例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);
}

注:在上文中已经提及,养成好习惯一定要free,并且置空

几个经典的笔试题


  • 例题1:
void GetMemory(char *p) {
    p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(str);
    strcpy(str, "hello world");
    printf(str);//会输出hello world吗?
}
  • 解释:
void GetMemory(char *p) {
    p = (char *)malloc(100);//函数结束p被销毁,并不能将动态开辟空间地址给带出来
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(str);//传入的是str的值即NULL,并非传入str的地址(只有传入str的地址才能修改str指向的对象)
    strcpy(str, "hello world");//strcpy不能对空指针进行拷贝操作,会报错
    printf(str);//空指针打印不出什么
}
  • 例题2:
char *GetMemory(void) {
    char p[] = "hello world";
    return p; 
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);//会打印吗?
}
  • 解释:
char *GetMemory(void) {
//字符数组在栈上开辟
    char p[] = "hello world";
//函数结束,对应开辟的空间会被还给电脑,此时p为悬空指针(对其操作为非法行为)
    return p; 
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    str = GetMemory();
    printf(str);//对悬空指针操作为非法行为
}
  • 例题3:
void GetMemory(char **p, int num) {
    *p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);//会打印吗?
}
  • 解释:
void GetMemory(char **p, int num) {
    *p = (char *)malloc(num);//成功修改str指向的对象,能够带回动态开辟的空间地址
}
void Test(void) {
    char *str = NULL;
    GetMemory(&str, 100);
    strcpy(str, "hello");
    printf(str);//成功打印hello
}
  • 例题4:
void Test(void) {
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);
    if(str != NULL)
    {
        strcpy(str, "world");
        printf(str);
    }
}
//会出现什么结果?
  • 解释:
void Test(void) {
    char *str = (char *) malloc(100);
    strcpy(str, "hello");
    free(str);//free虽然是释放动态内存空间,但str内容不会被修改,也就是说str为悬空指针
//free动态开辟空间,一定要置空(养成好的习惯)
    if(str != NULL)
    {//对悬空指针操作为非法行为
        strcpy(str, "world");
        printf(str);//出错
    }
}

C/C++程序的内存开辟


  • 示例:
int globalVar = 1;
static int staticGlobalVar = 1;
int main()
{
	static int staticVar = 1;	
	int localVar = 1;
	int num1[10] = { 1,2,3,4 };
	char char2[] = "abcd";
	char* pChar3 = "abcd";
	int* ptr1 = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
	int* ptr2 = (int*)calloc(4, sizeof(int));
	int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2, 4 * sizeof(int));
	free(ptr1);
	free(ptr3);
	return 0;
}
  • 示图:

  •  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

柔性数组

  • 概念:
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
  • 示例:
//示例1:
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
//示例2:
typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[];//柔性数组成员
}type_a;

柔性数组的特点

  1. 结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员
  2. sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存
  3. 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

柔性数组的使用和优势

  • 柔性数组使用示例:
//code1
typedef struct st_type
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
    printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4
    int i = 0;
//获得100个整型元素的连续空间
    type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//在原来结构体大小的基础上+需要开辟的柔性数组大小
//业务处理
    p->i = 100;
    for(i=0; i<100; i++) 
    {
        p->a[i] = i; 
    }
        free(p);
        p=NULL;
  • 动态内存开辟使用示例:
//代码2
typedef struct st_type
{
    int i;
    int *p_a; 
}type_a;
    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;
  • 上述代码1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: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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开辟  内存  空间  
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