1. 为什么有动态内存管理
2. malloc和free
3. calloc和realloc
4. 常见动态内存错误
5. 动态内存笔试题
6. 柔性数组
7. 常见c/c++程序内存区域的划分
1. 为什么有动态内存管理
通过前面的学习,我们基本掌握以下开辟内存的方式。
1. int a = 10;//在栈空间上开辟四个字节
2. char arr[10] ={ 0 };//在栈空间上开辟10个字节连续的空间。
上述空间开辟的空间具有如下的特点:
1 -> 开辟的空间大小是固定的。
2 -> 数组在声明的时候,必须指定数组的长度,数组的空间一旦确定大小就不能调整
但是对空间的需求千变万化。需要空间的大小在运行时才能确定,数组开辟空间的方式就不满足。
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。
2. malloc和free
2.1 malloc
C语言提供了动态内存开辟函数
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起始地址。
注意:size_t 的单位是字节(byte),1字节=8比特位(bit)
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 NULL 指针,因此malloc的返回值一定要做检查,防止的空指针的解引用操作。
返回值是void* ,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用的是时候由使用者自己决定。
如果参数 size 为0,malloc的行为标准未定义,取决于编译器。
2.2 free
C语言提供另一个函数free,专门用来对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。
1 -> 如果 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 -> 如果参数是 NULL 指针,则函数什么事也不做。
malloc和free都声明在 stdlib.h 头文件中。
void print(int* p)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(p + i));
}
}
#include<stdlib.h>
int main()
{
//开辟10个整形的空间
int* p = (int*)malloc(10*sizeof(int));
//使用前进行检查
//if (p != NULL)
//{
// //使用开辟的空间
// int i = 0;
// for (i = 0; i < 10; i++)
// {
// *(p + i) = i + 1;//为开辟空间上的地址赋值
// }
//}
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
}
else
{
//使用开辟的空间
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(p + i) = i + 1;//为开辟空间上的地址赋值
}
}
//打印开辟空间的数据
print(p);
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
3. calloc和realloc
3.1 calloc
C语言还提供其他的函数来开辟动态内存。原型如下:
void* calloc (size_t num, size_t size);
1->函数的功能是开辟 num 个大小为 size 字节的元素开辟空间,并且把空间的每个字节大小初始化为0。
2->与函数 malloc区别在于 calloc 会在返回地址之前把申请的空间的每个字节初始化全0。
#include<stdlib.h>
//int main()
//{
// int* ptr = (int*)calloc(10 ,sizeof(int));
// int i = 0;
// for (i = 0; i < 10; i++)
// {
// printf("%d ", *(ptr + i));
// }
// return 0;
//}
程序结果:
3.2 realloc
realloc 函数的出现让动态内存管理更加灵活。
申请的空间太小,有时又觉得空间太大,为了合理的利用内存,我们需对空间做灵活的调整。
realloc 函数可以实现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);
1 -> ptr 是要调整的内存地址
2 -> size 调整后新的大小
3 -> 返回值为调整内存之后起始位置
4 -> 这个函数调整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
5 -> realloc 在调整内存空间存在两种情况
(一)情况1:原有空间之后有足够大的空间
(二)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追加空间,原来空间的数据不发生变化。
情况2:
当时情况2的时候,原有空间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。这样的函数返回的是一个新的内存地址。
#include<stdlib.h>
void print(int* ptr)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 40; i++)
{
printf("%d ", *(ptr + i));
}
}
int main()
{
int* ptr = (int*)calloc(10 ,sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = i + 1;
}
//扩展空间
int* p = (int*)realloc(ptr, 40 * sizeof(int));
if (p != NULL)
{
int i = 0;
for (i = 0; i < 40; i++)
*(p + i) = i + 1;
}
ptr = p;
print(ptr);
free(ptr);
ptr = NULL;
return 0;
}
程序结果:
4 常见的动态内存错误
4.1 对 NULL 指针解引用操作
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* ptr =(int*) malloc(_CRT_INT_MAX);
*ptr = 20;//如果ptr是NULL,就会有问题
return 0;
}
4.2 对非动态内存使用free释放
int main()
{
int arr[10] = { 0 };
free(arr);
return 0;
}
4.3 对动态开辟空间的越界访问
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(10, sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i <=10; i++)
{
*(ptr + i) = i + 1;
}
return 0;
}
4.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = 0;
}
free(p);
return 0;
}
4.5 对同一块内存进行多次释放
int main()
{
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 5; i++)
{
*(p + i) = 0;
}
free(p);
free(p);//重复释放
return 0;
}
4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
void test()
{
int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = 0;
}
}
int main()
{
test();
return 0;
}
后果:忘记释放不再使用动态开辟内存的空间会造成内存泄漏。
切记:动态开辟的内存空间一定要释放,并且正确释放。
5 动态内存笔试题分析
5.1 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);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析:
5.2 题目2:
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析:
5.3 题目3:
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析:
程序结果:
该程序存在内存泄漏。
正确方法:
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p, int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
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);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
分析:
正确方法:
void Test(void)
{
char* str = (char*)malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
str = NULL;
if (str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
6. 柔性数组
柔性数组确实存在。
C99中,结构体中最后一个元素允许是未知大小的数组,这就叫 柔性数组 成员。
例如:
struct st_typr
{
int i;
int a[];
};
6.1 柔性数组的特点
1 ->结构中的柔性数组成员前面至少一个其他成员。
2 ->sizeof返回的这种结构大小不包括柔性数组的成员大小
1 ->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体的大小,以适应柔性数组的预期大小。
例如:
struct S
{
int i;
int a[0];
};
int main()
{
printf("%zd\n", sizeof(struct S));//输出是4
return 0;
}
6.2 柔性数组的使用
typedef struct S
{
int i;
int a[];
}type_a;
int main()
{
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
p->i = 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->a[i] = i + 1;
}
printf("%d\n", p->i);
for (i = 0; i < 100; i++)
{
printf("%d ", p->a[i]);
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
程序结果:
6.3柔性数组的优势
typedef struct S
{
int i;
int* p_a;
}type_a;
int main()
{
type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
p->i = 1;
int i = 0;
for (i = 0; i < 100; i++)
{
p->p_a[i] = i + 1;
}
printf("%d\n", p->i);
for (i = 0; i < 100; i++)
{
printf("%d ", p->p_a[i]);
}
free(p->p_a);
p->p_a= NULL;
return 0;
}
优点:1. 方便内存释放。
2. 访问速度更快。
7. 总结C/C++中内存区域划分
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,函数执行结束后这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器集中,效率高,但是分配的内存容量有限。栈区主要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(操作系统)回收。分配方式类似于链表。
3. 静态区(数据段):(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(C++)和全局变量)的二进制代码。