动态内存管”家“

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🐋动态内存管理

🦖动态内存分配存在的意义

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

  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。

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。
这时候就只能试试动态存开辟了。

🦖动态内存函数的介绍

🐤malloc和free

C语言提供了一个动态开辟内存的函数

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0malloc的行为是标准是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。
举个栗子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//代码1
	int num = 0;
	scanf("%d", &num);
	int arr[num] = { 0 };  //c89标准不支持变长数组 error c99才支持的变长数组
	//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;//有必要将ptr置为空指针free不会将ptr置为空指针
			   //避免ptr为野指针我们使用。
	return 0;
}

🐤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。

举个栗子

#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;
}

在这里插入图片描述
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。

🐤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分配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。
      在这里插入图片描述
  • 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原有空间之后没有足够大的空间。
      在这里插入图片描述
  • 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。

举个栗子

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
int main()
{
	int* ptr = (int*)malloc(100);
	if (ptr != NULL)
	{
		//业务处理
		memset(ptr, 0, 100);
	}
	else
	{
		exit(-1);
	}
	//扩展容量
	//代码1
	//ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//这样不可以如果申请失败原来的空间也找不到了
	//代码2						   //会导致内存泄露。
	int* p = NULL;
	p = (int*)realloc(ptr, 200);
	if (p != NULL)
	{
		ptr = p;
	}
	//业务处理
	memset(ptr + 25, 1, 100);
	free(ptr);
	return 0;
}

在这里插入图片描述

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🦖常见动态内存错误

🐤对空指针的解引用操作

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);
}

🐤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);
}

🐤对非动态开辟内存使用free

void test()
{
	int a = 10;
	int *p = &a;
	free(p);//no
}

🐤使用free释放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,error
}

🐤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,对野指针free,error
}

🐤动态开辟的内存忘记释放内存泄漏

void test()
{
	int *p = (int *)malloc(100);
	if(NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	while(1) {
		test();
	}
	return 0;
}

在这里插入图片描述

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 。

🦖C/C++程序的内存开辟

在这里插入图片描述

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。

有了这幅图我们就可以很好的理解static关键字修饰局部变量的例子了。

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。
但是被static修饰的变量存放在数据段静态区数据段的特点是在上面创建的变量直到程序结束才销毁所以生命周期变长。

🦖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

typedef struct st_type
{
	int i;
	int a[];//柔性数组成员
}type_a;

🐤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;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

在这里插入图片描述

🐤柔性数组的使用

//代码1
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);

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。

🐤柔性数组的优势

上述的 type_a 结构也可以设计为

//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 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。

在这里分享一个扩展阅读链接里面更加详细的讲解的柔性数组C语言结构体里的数组和指针

🦖结语

到这里这篇博客已经结束啦。
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