揭秘动态内存管理,让你少走弯路!

1. 为什么要有动态内存分配

2. malloc和free

3. calloc和realloc

4. 常⻅的动态内存的错误

5. 动态内存经典笔试题分析

6. 柔性数组

7. 总结C/C++中程序内存区域划分


正文开始:

1. 为什么要有动态内存分配
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:
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。
2. malloc free
2.1 malloc
C语⾔提供了⼀个动态内存开辟的函数:
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的⾏为是标准是未定义的,取决于编译器。

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: 

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。
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:

1 #include <stdio.h>
2 #include <stdlib.h>
3
4 int main()
5 {
6 int num = 0;
7 scanf("%d", &num);
8 int arr[num] = {0};
9 int* ptr = NULL;
10 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?
return 0;
}
3. calloc 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:
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。
举个例⼦:
# include <stdio.h>
# include <stdlib.h>
int main ()
{
int *p = ( int *) calloc ( 10 , sizeof ( int ));
if ( NULL != p)
{
int i = 0 ;
for (i= 0 ; i< 10 ; i++)
{
printf ( "%d " , *(p+i));
}
}
free (p);
p = NULL ;
return 0 ;
}

输出结果:

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0  

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
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 调整之后新⼤⼩
• 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
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
 int *ptr = (int*)malloc(100);
 if(ptr != NULL)
 {
 //业务处理
 }
 else
 {
 return 1; 
 }
 //扩展容量
 
 //代码1 - 直接将realloc的返回值放到ptr中
 ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?)
 
 //代码2 - 先将realloc函数的返回值放在p中,不为NULL,在放ptr中
 int*p = NULL;
 p = realloc(ptr, 1000);
 if(p != NULL)
{
 ptr = p;
 }
 //业务处理
 free(ptr);
 return 0;
}
4. 常⻅的动态内存的错误
4 .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,就会有问题
 free(p);
 }
4 .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)
 {
 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);
 }
4.3 对⾮动态开辟内存使⽤free释放
void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
 }
4.4 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
  }
4.5 对同⼀块动态内存多次释放
1 void test()
2 {
3 int *p = (int *)malloc(100);
4 free(p);
5 free(p);//重复释放
6 }
4.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
1 void test()
2 {
3 int *p = (int *)malloc(100);
4 if(NULL != p)
5 {
6 *p = 20;
7 }
8 }
9
10 int main()
11 {
12 test();
13 while(1);
14 }
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。
5. 动态内存经典笔试题分析
5.1 题⽬1:
1 void GetMemory(char *p)
2 {
3 p = (char *)malloc(100);
4 }
5 void Test(void)
6 {
7 char *str = NULL;
8 GetMemory(str);
9 strcpy(str, "hello world");
10 printf(str);
11 }

5.2 题⽬2:
1 char *GetMemory(void)
2 {
3 char p[] = "hello world";
4 return p;
5 }
6 void Test(void)
7 {
8 char *str = NULL;
9 str = GetMemory();
10 printf(str);
11 }

5.3 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);
 }

5.4 题⽬4:
1 void Test(void)
2 {
3 char *str = (char *) malloc(100);
4 strcpy(str, "hello");
5 free(str);
6 if(str != NULL)
7 {
8 strcpy(str, "world");
9 printf(str);
10 }
11 }

6. 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:
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:
1 typedef struct st_type
2 {
3 int i;
4 int a[];//柔性数组成员
5 }type_a;

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:
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
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{int i = 0;
 type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
 //业务处理
 p->i = 100;
 for(i=0; i<100; i++)
 {
 p->a[i] = i;
 }
 free(p);
 return 0;
}
这样柔性数组成员a,相当于获得了100个整型元素的连续空间。
6.3 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
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
typedef struct st_type
{
 int i;
 int *p_a;
}type_a;
int main()
{
 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;
 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。(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)
7. 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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