C语言之动态内存管理
大纲:
- 储存器原理
- 为什么存在动态内存的开辟
- malloc()
- free()
- calloc()
- realloc()
- 常见错误
- 例题
- 柔性数组
零(上).存储器原理
之前我们提到了计算机的储存器,我们再来回忆一下:
我们当时说:
栈区:
这是存储器用来保存局部变量的部分。每当调用函数,函数的所有局部变量都在栈 上创建。它之所以叫栈是因为它看起来就像堆积而成的栈板:当进入函数时,变量会放到栈顶;离开函数时,把变量从栈顶拿走。奇怪的是,栈做起事来颠三倒四,它从存储器的顶部开始,向下增长。
堆区:
堆用于动态存储:程序在运行时创建一些数据, 然后使用很长一段时间,
数据段:
全局量位于所有函数之外,并对所有函数 可见。程序一开始运行时就会创建全局量, 你可以修改它们,
常量也在程序一开始运行时创建,但它们保存在只读存储器中。常量是一些在程序中要用到的不变量,你不能修改它们的 值,例如字符串字面值。
代码段:
很多操作系统都把代码放在存储器地址的低位。代码段也是只读的, 它是存储器中用来加载机器代码的部分。
零(下).为什么存在动态内存的开辟
在我们之前的学习中,我们关于内存的开辟都是静态的:
如:
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
但是我们发现,这样的内存开辟存在两个特点:
1. 空间开辟大小是固定的。
2.数组在申明的时候,必须指定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。
可是,我们对于空间的需求,不仅仅是上述的情况,有时我们需要的空间大小需要程序运行的时候,我们才能知道,那这样对于数组大小开辟就十分不好满足了。
所以,我们就只好来试试动态内存开辟了!
一.malloc()
再C语言中,提供了一个动态内存开辟的函数:
我们来看看它的声明:文档
void* malloc(size_t size);
再来看看文档:
注意:
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。
参数是你要开辟多少个字节,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。
写一个例子:
//void* malloc(size_t size); //malloc #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <limits.h> #include <errno.h> #include <string.h> int main() { int arr[10] = {0};//在栈区上申请了40个字节的空间 //动态内存开辟 - 堆区上 //INT_MAX----整形的最大字节,位于limit.h文件中 //int* p = (int*)malloc(INT_MAX);//开辟失败的情况 int* p = (int*)malloc(40);//希望把40个字节当成一个10个整型的数组,因为我们开辟的指针类型是int*,所以我们也将返回值强行转换为int* if (p == NULL) { //strerror 在string.h文件中 //errno 在errno.h 文件中 printf("内存开辟失败: %s\n",strerror(errno));//打印错误信息,errno提供错误码,strerror将提供的错误码翻译为一个字符串 perror("内存开辟失败");//直接打印错误信息,直接包装好的一个函数,在 stdio.h 中 char* p = strerror(errno);//如果我们只想得到错误信息,并不想打印出来,我们就可以用strerror(errno)获得 printf("%s\n", p); } else { //开辟成功 int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { *(p + i) = 0; } for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", p[i]); } //不再使用p指向的动态内存 //手动释放动态开辟的内存 free(p);//这是我们开辟内存,最后且必要有的一步,释放我们开辟的内存!! p = NULL; //...... } return 0; }
注意:
我们在开辟内存的时候,一定要检查开辟成功了没有,即下面这段代码:
//假设 p 是我们赋予内存的指针 if (p == null) { //没有开辟成功 //... } else { //开辟成功 //... }
以及最后一定要释放我们开辟的空间,即:
free(p);//这是我们开辟内存,最后且必要有的一步,释放我们开辟的内存!! p = NULL;
所以,我们在这在介绍一下free()
二.free()
声明:文档
void free(void* ptr);
注意:
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。
及时释放,及时置NULL
示例同上
三.calloc()
它与malloc()都是用来开辟内存的,只不过malloc()没有初始化,而calloc()则对于开辟的内存进行了初始化(全部置0),并且参数也由一个变成两个。
声明:文档
void* calloc (size_t num, size_t size);
注意:
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。
示例:
int main() { //int arr[10]; //开辟一个连续的空间 //malloc开辟的空间不初始化 //malloc参数只有1个 //calloc开辟的空间是初始化的 //calloc参数有2个 int*p = (int*)calloc(10, sizeof(int)); if (p == NULL) { printf("%s\n", strerror(errno)); } else { int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", *(p + i)); } printf("\n"); //释放 free(p); p = NULL; } return 0; }
我们在这来观察一下内存:
开辟后:
正好四十个字节置为了0.
所以:
以后我们要是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。
四.realloc()
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。
声明:文档
void* realloc (void* ptr, size_t size);
注意:
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。
举个例子:
#include <stdio.h> int main() { int* ptr = malloc(100); if (ptr != NULL) { //业务处理 } else { exit(EXIT_FAILURE); } //扩展容量 //代码1 --- 不可行 ptr = realloc(ptr, 1000);//这样可以吗?(如果申请失败会如何?) //所以这样不可行,若是开辟失败,我们并无法得知,而且还会非法访问! //代码2 --- 可行 int* p = NULL; p = realloc(ptr, 1000); if (p != NULL) { ptr = p;//这里要记得用我们原来的地址接收返回的地址 //上面我们提到:要是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,所以我们要记得接收! } //业务处理 free(ptr);//一定要记得释放 ptr = NULL;//置NULL return 0; }
注意点:
若是开辟成功,则要记得用原来指针来接收返回的指针
及时释放,及时置NULL
五.常见错误
1.对NULL指针的解引用操作
//1. 对NULL指针的解引用操作 //避免出现:对 malloc/calloc/realloc 函数的返回值做检测 int main() { int*p = (int*)malloc(INT_MAX); //p是有可能为NULL指针的,当为NULL的时候,*p就是非法访问内存 *p = 0; return 0; }
所以我们要记得对 malloc/calloc/realloc 函数的返回值做检测
如:
//假设 p 是我们赋予内存的指针 if (p == null) { //没有开辟成功 //... } else { //开辟成功 //... }
2.对动态开辟空间的越界访问
//2. 对动态开辟空间的越界访问 int main() { int*p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (p == NULL) { return 1; } else { int i = 0; //越界 for (i = 0; i <= 10; i++) { *(p + i) = 0;//等于10的时候就越界了 } free(p); p = NULL; } return 0; }
对于越界的问题,我们从数组那便已经提到要注意了
3.对非动态开辟内存使用free释放
//3. 对非动态开辟内存使用free释放 int main() { int a = 10; int*p = &a; //... free(p); p = NULL; return 0; }
4. 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
//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)); if (p == NULL) { return 1; } else { int i = 0; //err for (i = 0; i <5; i++) { *p++ = 0;//这里p++是有副作用的,会导致p指向的值改变 //*(p + i) = 0;//这里应该写为*(p + i) } //释放 free(p);//我们释放内存时,一定要从我们开始的位置进行释放! p = NULL; } return 0; }
5.对同一块动态内存多次释放
//5. 对同一块动态内存多次释放 int main() { int*p = (int*)malloc(10 * sizeof(int)); if (p == NULL) { return 1; } else { int i = 0; //err for (i = 0; i <5; i++) { *(p + i) = 0; } //多次释放会有问题 free(p); free(p); p = NULL; } return 0; }
6.动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
//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);//未释放内存 }
所以我们一定要记得及时释放,及时置NULL
六.例题
1.
//例题一 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; } //运行Test()会有什么结果
注意我们在GetMemory()函数中传了一个NULL;
而对NULL指针我们是无法扩展内存的,相当于GetMemory()函数什么也没干;
而strcpy()函数是要对传进的参数进行断言的,不能为空指针,而我们传递过去了一个空指针;
所以这个程序会崩。
2.
//例题二 char* GetMemory(void) { char p[] = "hello world"; return p; } void Test(void) { char* str = NULL; str = GetMemory(); printf(str); } int main() { Test(); return 0; } //运行Test()会有什么结果
我们要注意,在一个自定义函数结束的时候,它所创建的变量会被销毁;
所以p返回的地址内容不再是函数里所创建的 h 了,而是被销毁后,我们也不知道的内容;
3.
//例题三 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; } //运行Test()会有什么结果
这个要注意我们的例一是直接传了NULL过去,
而在例三,我们是置str为NULL,然后我们传过去的是str的地址,并不是NULL;
所以在函数里是对str指向的NULL内容进行改变,而不是NULL本身;
但是,这里有一点 程序并无free(),所以就会造成内存泄漏的问题!
因此,该函数最后的结果就为屏幕上输出 hello
4.
//例题四 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; } //运行Test()会有什么结果
这题是提前释放了内存,但并没有及时置NULL,之后再进行strcpy(),理应是非法访问,可是编译器却给出了world的结果;
这就说明,我们也不要太相信编译器!
VS 2019 :
gcc:
七.柔性数组
1.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;
若有一些编译器报错,则可换为以下写法:
typedef struct st_type { int i; int a[];//柔性数组成员//柔性数组指的是这个数组的大小是柔性可变的 }type_a;
2.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//在计算机包含柔型数组成员的结构体的大小的时候,不包含柔性数组成员
return 0;
}
因为sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存,所以结果为 4.
3.柔性数组的使用
如:
struct S { int n; int arr[];//柔性数组指的是这个数组的大小是柔性可变的 }; int main() { //struct S s;//不是创建的 struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 10 * sizeof(int));//前半部分是指结构体除柔性数组外的大小,后半部分是给柔性数组分配的大小 ps->n = 100; int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { ps->arr[i] = i; } //释放 free(ps); ps = NULL; return 0; }
这样就给柔性数组分配了10个整形元素大小
4.柔性数组的优势
那么说了这么多,那柔性数组的优势在哪呢?
我们来看下面这两段代码:
typedef struct st_type { int i; int a[0];//柔性数组成员 }type_a; //代码1 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; }
//代码2 typedef struct st_type { int i; int* p_a; }type_a; int main() { int i = 0; type_a* p = 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实现了同样的功能,但是硬要让我选择一个,那我选择代码1
原因如下:
1.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。
2.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)
此处参考:C语言结构体里的成员数组和指针
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到此,对于动态内存管理的讲解便结束了!
若有错误之处,还望指正!
因笔者水平有限,若有错误,还请指正!