动态内存管理(malloc free calloc realloc)
前言
什么是动态内存?
-
动态内存
- (Dynamic Memory),使用户能够指定虚拟操作系统启动的RAM容量,并将平台可用的系统内存最大化。 为什么存在动态内存分配?
-
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。
动态内存的介绍
(1)malloc和free
C语言提供了一个动态内存开辟的函数:malloc
我们要了解该函数就需要点开上面的链接去了解
-
size_t size
是无符号整数,他包括的是字节数量,要开辟多少个字节,就写多少个字节。 -
void*
因为他不知道要开辟的空间是什么类型,只知道这个空间是多少个字节,所以用void*
来看他返回值是啥。
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。
malloc
的参数
malloc
的返回值
首先对于我们的动态内存函数都是与
free
配对的,因为他向动态申请了空间,在堆中存放数据,如果不释放空间,那么内存空间将一直被占用,程序将会崩溃,所以需要将申请的空间还回去就需要用到free了。
-
void* ptr
返回所要释放空间起始位置的指针,就可以释放函数了 -
void
返回值是void ,就是没有返回值。
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。
free
的参数
freed
的返回值
#include <stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
#include<string.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(40);
//向内存申请40个空间,强制转换为int*类型,
int* ptr = p;
//因为最后free传起始位置的地址,后面可能改p
if (p == NULL)
//防止是空指针
{
printf("%s\n", strerror(errno));
return 1;
}
int i = 0;
for (i = 0; i < 10; i++)//改变数据
{
*ptr = i;
ptr++;
}
free(p);//释放空间
p = NULL;
//防止p成空指针
return 0;
}
(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:
-
size_t num, size_t size
都是无符号整数,第二参数是申请空间的类型,而第一个参数就是申请几个该类型。 - 返回值为调整之后的内存起始位置。
-
(1)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。
(2)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。 - 代码实现:
calloc
的参数
calloc
的返回值
calloc
的特点
calloc
的使用
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
if (NULL != p)
{
;//使用空间
}
free(p);
//释放空间
p = NULL;
return 0;
}
calloc将申请的空间初始化为0;
(2) realloc
-
realloc存在的意义
-
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
-
void* ptr, size_t size
第二个参数是无符号整数,是需要扩容或者缩小内存的数,而第一个参数就是需要扩容的地址。 - 返回值为调整之后的内存起始位置。 注意的点
-
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。
realloc
的参数
realloc
的返回值
realloc
的用法
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* ptr = (int*)malloc(40);
int i = 0;
if (ptr != NULL)
{
for (i = 0; i < 10; i++)
{
*(ptr + i) = i;
}
}
for (i = 0; i < 10; i++)
{
printf("%d ", *(ptr + i));
}
//增加空间
int* p = (int*)realloc(ptr, 80);
if (*p != NULL)
{
ptr = p;
//防止p开辟失败,为空指针,让ptr也不能使用。
p = NULL;
}
for (i = 10; i < 20; i++)
{
*(ptr + i) = i;
}
for (i = 10; i < 20; i++)
{
printf("%d ", *(ptr + i));
}
//释放
free(ptr);
ptr = NULL;
}
如果
realloc
第一个参数是NULL,那么功能就和malloc
相同。
下面要学会设计动态通讯录
这个请移步到下篇文章《通讯录》
常见的动态内存错误
我们学会了动态内存函数,但是我们要注意一下他的用法,不然很容易产生错误,请看下面很容易发现的错误,一起来避避坑
(1) 对NULL指针的解引用操作
我们知道对于
NULL
来说,对空指针解引用会出现问题,程序会崩溃。
看下面代码有什么错误
#include<stdio.h>
#include <limits.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
*p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
这个代码是有问题的,我们需要了解,
INT_MAX
是整型最大值21亿多,非常大,所以动态申请空间会失败,失败返回空指针,而对于空指针解引用,程序会崩溃。是有问题的。
正确的代码
#include<stdio.h>
#include <limits.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(INT_MAX);
if (p == NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
//退出程序了,用return退出
}
else
{
*p = 20;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
(2) 对动态开辟空间的越界访问
在没有申请的空间去访问此空间,就会产生越界访问,程序就会崩溃。我相信大家肯定知道这是怎么回事,那就看看下面的代码
void test()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
//申请10个整型的空间
if (NULL == p)//防止是空指针
{
perror("malloc");
}
for (i = 0; i <= 10; i++)
//我们知道只申请了10个整型,但是他是从0到10
//就是11个就会产生越界访问程序就会崩溃。
{
*(p + i) = i;//当i是10的时候越界访问
}
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
(3) 对非动态开辟内存使用free释放
我们知道动态内存函数(
malloc
calloc
realloc
)都必须与free
函数配对使用,这些动态内存函数在堆上开辟空间,而free将这些空间还给内存,但是像一些局部变量都是在栈上开辟空间,而用free
在释放这些空间,程序还是会崩溃。
void test()
{
int a = 10;
int* p = &a;
free(p);
p = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
(4) 使用free释放一块动态开辟内存的一部分
我们知道使用
free
的时候,传的是动态开辟空间的起始位置,所以能将后面动态开辟的空间能够还给内存,但是如果不是传的起始位置,将中间的某一个位置传给了free
,操作系统会崩溃,释放不了内存。
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
p = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
(5) 对同一块动态内存多次释放
原本对于一块动态内存开辟的空间,我们释放一次就够了,但是当我们不小心释放了两遍,程序在第二次就找不到该释放哪片空间,程序就会崩溃。
void test()
{
int* p = (int*)malloc(100);
if (p = NULL)
{
perror("malloc");
return 1;
}
free(p);
free(p);//重复释放
}
int main()
{
test();
return 0;
}
我们知道上述代码有问题,重复释放了两次,程序会出问题,崩溃了,但是我们怎么改正呢,在每次释放完空间后,将指针变为空指针,然后
free
空指针,就会什么事也不干,这样程序就会有问题。
(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);
}
对于上述代码,我们已经看到没有
free
,肯定会发生错误,因为这动态开辟函数和free是成对出现。
忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏
小总结
不是说对于内存开辟函数,就只有上面这些错误,这只是我们常见的错误,希望大家在自己实现代码的时候能够多多总结,让自己的知识储备跟加丰富。
对于动态内存几个经典的笔试题
(1) 题目1
//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
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;
}
首先这个程序会崩溃,不会进行下去。
我们首先可以看出来,对于GetMemory
函数的参数传的是空指针,对于该函数的内部p参数是他的一份临时拷贝,改变p
,并不会影响str
,只有在函数的参数传的是指针时,才会通过改变地址改变str
,所以在用p
申请100个字节的动态空间,str
还是空指针,而用strcpy
字符串拷贝函数时第一个参数时空指针,对空指针进行解引用,这个操作就会引起操作系统的崩溃,并且在动态开辟内存后,在程序结束都没有将将内存释放。
-
画图解释一下上述操作
-
看图
那我们怎么修改一下这个错误的程序,我们要将改变p,也会改变str,所以应该传址。还有应该将
free
空间。
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
这样就很好,基本上就没有错误了,这道题的主要问题就是,传值和传址区别,明白这个就能很好的立即,看图解释
(2) 题目2:
//请问运行Test 函数会有什么样的结果
char* GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}
int main()
{
Test();
return 0;
}
为什们会出现这个结果呢,原因就是在函数当中创建了一个数组,他在进入函数时创建,出函数时销毁,虽然str指的是数组的地址,但是数组再出函数的时候就已经销毁了,不存在这个数组了,知道了地址也没用。所以再打印这个这个数组是,内容就变成随机的了。
(3) 题目3:
//运行Test 函数会有什么样的结果?
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;
}
会发生内存泄漏,再申请了空间后,没有释放空间,就会造成内存泄漏,所以将填上free函数就好了。
改正:
#include<stdio.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;
}
(4) 题目4:
//运行Test 函数会有什么样的结果?
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;
}
这里是非法访问,我们在释放完str后,没有将str设为空指针,现在str就是野指针,在对野指针进行引用就是非法访问,就会出现问题。所以修改方案就是将str释放。
柔性数组
-
(1)什么是柔性数组?(定义)
- 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。
-
(2) 柔性数组的特点:
-
<1>结构体中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。
<2>sizeof
返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。
<3>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。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
//开辟空间
struct stu* ps = (struct stu*)malloc(sizeof(struct stu) + sizeof(int) * 4);
//我们从特点来看,结构体大小不包括柔性数组大小,
//所以申请动态空间,先将原结构体的大小先申请出来,然后在申请柔性数组的大小
//像上面代码就是申请了4个整型的大小
if (ps == NULL)
{
return 1;
}
//使用
int i = 0;
for (i = 0; i < 4; i++)
{
scanf("%d", &(ps->arr[i]));
}
ps->a = 10;
ps->c = 5.5;
printf("%d %f\n", ps->a, ps->c);
for (i = 0; i < 4; i++)
{
printf("%d ", ps->arr[i]);
}
//释放
free(ps);
ps = NULL;
return 0;
}
那怎么体现出柔性呢,就是用
realloc
函数,能够调整数组的大小,能够变大能够变小,这就是他的柔性,请看下面代码。
struct stu* s1 = (struct stu*)realloc(sizeof(struct stu) + sizeof(int) * 10);
//调整柔性数组的大小
if (s1 == NULL)
{
return 1;
}
else
{
ps = s1;
}
-
(3)柔性数组的优势
-
<1>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。
<2>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。
总结
对于我们这些知识都非常简单,只要把定义看懂,这些我感觉就会迎刃而解,相信大家只要勤加练习,这些东西都能掌握,让我们一起加油吧。😊😊