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4800字带你深度理解动态内存管理(超详细图解刨析)

** 上期结束了【结构体内存对齐】,这期我们来学习C语言中非常重要的内容之一【动态内存管理】,学完这期,我相信你对动态内存分配会有更深的理解~话不多说,我们直接进入本期主题!**

🚀一、为什么存在动态内存的分配

🚀二、动态内存函数的介绍

🚀三、常见的动态内存错误

🚀四、几个经典的笔试题

🚀五、C/C++程序的内存开辟

🚀六、柔性数组

一、为什么存在动态内存的分配

    我们已经掌握的内存开辟方式有:
int a = 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.数组在声明时,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,不仅仅时上述的情况。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。

二、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);

这个malloc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,函数原型如下:
void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

  • 🌍怕如果参数 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:
int main()
{
    //代码1
    int num = 0;
    scanf("%d", &num);
    int arr[num] = { 0 };

    //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 + 1) = 0;
        }
    }
    free(ptr);//释放ptr所指向的动态内存
    //指针ptr内容还是原来的地址,释放后防止非法访问,故置为NULL
    ptr = NULL;
    return 0;
}

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全为0。举个例子:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
    int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
    if (NULL != p)//判断p指针是否为空
    {
        //work
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

所以如何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。有时候我们发现过去申请的空间太小了,有时候又会觉得申请的空间过大了,那为了合理的内存,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 调整之后新的大小。

  • 🏈返回值为调整之后内存起始位置。

  • 🏈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 在调整内存空间时存在两种情况:

          a.情况1:原有空间之后有足够大的空间
    
          b.情况2:原有空间之后没有足够大的空间
    

⚡情况1: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。

⚡情况2: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。 举个例子:

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

int main()
{
    int* ptr = (int*)malloc(100);
    if (ptr != NULL)
    {
        //work
    }
    else
    {
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    //扩展容量

    //代码1
    ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);
    //这个做法不行,如果申请失败则返回NULL赋给ptr

    //代码2
    int* p = NULL;
    p = (int*)realloc(ptr, 1000);
    if (p != NULL)
    {
        ptr = p;
    }
    free(ptr);
    ptr = NULL;
    return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1 对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,就会非法访问
    free(p);
    p == NULL;
}

3.2 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 (p == NULL)
    {
        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);
    p == NULL;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
    int a = 10;
    int* p = &a;
    free(p);//不能对非动态开辟内存使用free
    p == NULL;
}

3.4 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
}

3.5 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

void test()
{
    int* p = (int*)malloc(100);
    if (p != NULL)
    {
        *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。

四、几个经典的笔试题

题目1:

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?

  • 🎈程序崩溃,str是空指针,没有指向的内存,无法拷贝hello world,访问内存失败。
  • 🎈内存泄漏,没有free。

题目2:

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?

  • 🎈局部数组的内存,除了程序就释放了。
  • 🎈返回栈空间地址的问题。

题目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);
}

请问运行Test 函数会有什么样的结果?

  • 🎈可以打印hello。
  • 🎈需要加 free(str); str = NULL;

五、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。

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。 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:
struct a
{
    int i;
    int a[0];//柔性数组成员
};

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:

struct a
{
    int i;
    int arr[0];//柔性数组成员
};
printf("%d\n", sizeof(a));//输出的是4

6.2 柔性数组的使用

//代码1
int i = 0;
a* p = (a*)malloc(sizeof(a) + 100 * sizeof(int));

//业务处理
p->i = 100;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
    p->arr[i] = i;
}
free(p);
    这样柔性数组成员arr,相当于获得了100个整形元素的连续空间。

6.3 柔性数组的优势

    上述的 a 结构也可以设计为:
//代码2
struct a
{
    int i;
    int* p_a;
};
a* p = malloc(sizeof(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 和 代码2 可以完成同样的功能,但是 代码2 的实现有两个好处:**

** 第一个好处是:**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:**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)
     **总结起来就是:**
  1. ⚡方便内存释放。
  2. ⚡提高访问速度。

** 动态内存管理到这里就结束啦,大家一定要动手敲代码实现一下!有不懂的可以随时私信我哦!**

最后的最后谢谢小伙伴们能耐心观看到这里~这篇文章如果对你有所帮助,还请💖点赞💖收藏啊💖。加油程序猿!我是ALong,下期再见。

标签: c语言

本文转载自: https://blog.csdn.net/qq_43460230/article/details/124050816
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