高效利用内存资源之动态内存管理详解

目录

一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数的介绍

2.1malloc

2.2free

2.3calloc

2.4realloc

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

3.2对动态开辟空间的越界访问

3.3对非动态开辟内存使用free释放

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5对同一块动态内存多次释放

3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

四、经典笔试题

🌴题目一: 

 🌴题目二: 

 🌴题目三: 

  🌴题目四: 

五、C/C++程序的内存开辟

六、柔性数组

6.1柔性数组的特点

 6.2柔性数组的使用

6.3柔性数组的优势

结语:


一、为什么存在动态内存分配

截止目前我们已经掌握的开辟空间的方式有以下两种:

int main()
{//在栈空间上开辟四个字节,存放一个值int a = 10;//在栈空间上开辟10个字节的连续空间,存放一组数int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };return 0;
}

但是上述开辟空间的方式有两个特点:

  1. 空间开辟的大小是固定的。
  2. 数组在声明的时候,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,那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。这个时候C语言给了我们程序员一种权利:能够动态申请和管理内存空间,即动态内存的开辟。有了这种权力,我们就能很好的解决上述所面临的问题了。

二、动态内存函数的介绍

 🌴函数头文件都是:

#include <stdlib.h>

2.1malloc

"malloc"函数用于动态分配指定大小的内存空间,并返回一个指向该内存空间的指针。

🌴函数原型: 

void* malloc (size_t size);
  • 其中,size参数表示需要分配的内存空间的大小,单位为字节。
  • 函数返回一个指向分配的内存空间的指针,如果分配失败则返回 NULL。

 🌴函数用法示例:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main()
{//申请一块空间,用来存放10个整型int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//如果返回NULL,则代表空间申请失败,并打印失败原因if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;//因为这个函数返回一个指向分配好的内存块开头的指针,//所以ptr这个指针变量相当于这块内存空间的首地址for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);}return 0;
}

🌴打印结果:

 🌴注意事项: 

  1. 如果开辟成功,则返回一个指向开辟好空间的指针。
  2. 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。
  3. 返回值的类型是 void* ,所以malloc函数并不知道开辟空间的类型,具体在使用的时候由使用者自己来决定。
  4. 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函数申请的空间有两种释放方式:

  1. free释放 --- 主动回收。
  2. 程序退出后,malloc申请的空间会被操作系统回收 --- 被动回收。

注:正常情况下,谁申请的空间,谁去释放,万一自己不释放,也要交代给别人记得释放。

2.2free

动态分配内存允许程序在运行时分配和释放内存,这对于处理大量数据或者需要灵活管理内存的程序非常重要。但是,如果不及时释放已经分配的内存,就会导致内存泄漏,最终可能导致程序崩溃。在C语言中,我们可以使用free()函数释放已经分配的内存。

 🌴函数原型: 

void free (void* ptr);

 free函数非常简单,它只需要传入一个指向已经分配的内存块的指针,就可以将该内存块释放回操作系统。

  🌴函数用法示例:

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main()
{//申请一块空间,用来存放10个整型int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//如果返回NULL,则代表空间申请失败,并打印失败原因if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}*ptr = 10;printf("ptr指向的值为:%d\n", *ptr);free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

🍄解析:

  •  在上述代码中,首先使用malloc函数分配一个整型变量的内存空间,并将其赋值给指针变量ptr。然后,将整型变量的值设置为10,并输出该值。最后,使用free函数释放了该内存空间。
  • 需要我们清楚的一点是,malloc的作用是申请一块空间供当前程序使用,而free函数的作用是把申请的这块空间还给操作系统。然而,free虽然将空间还给了操作系统,但指针变量ptr却还记得申请的这块空间的地址,这时候它就变成了一个野指针,这是非常危险的,所以我们要在free释放完空间后将ptr置为空指针NULL。

🌴注意事项: 

  1. 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。
  2. 如果参数 ptr 是NULL指针,则函数什么事都不做。

2.3calloc

"calloc"函数和"malloc"函数相似,都是用来分配内存的。不同之处在于"calloc"函数在分配内存时会将内存中的每个字节初始化为0。

 🌴函数原型:

void* calloc (size_t num, size_t size);
  • "calloc"函数接收两个参数,分别是要分配的元素个数和每个元素的大小。
  • 它会分配总共 num*size 个字节的内存,并将这些内存空间初始化为0。 

   🌴函数用法示例:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//打印int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(ptr + i));}//释放free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

🍄解析:

 

在上述代码中,首先使用calloc函数分配了10个整型变量的内存空间 ,并将其赋值给指针变量ptr。由于calloc函数会将分配的内存空间初始化为0,因此在使用循环输出ptr指向的内存空间时,会发现所有的值都是0。最后,使用free函数释放了该内存空间。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。

2.4realloc

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,那为了合理的使用内存,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,即realloc函数用于重新分配之前通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块的大小。

  🌴函数原型:

void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr:之前分配的内存块的指针。
  • size:新的内存块的大小。
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • realloc函数会尝试将之前分配的内存块的大小改变为size字节,并返回指向新内存块的指针。如果无法满足新的大小要求,realloc函数可能会在不同的位置重新分配内存块,并将原内存块的内容复制到新的内存块中。

    🌴函数用法示例:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//分配10个整型的内存块int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ptr[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);}//空间不够,希望调整空间为20个整型的空间int* p = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));if (p != NULL){ptr = p;}//释放free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

 🌴注意事项:  

1.realloc函数在调整内存空间时存在两种情况:

🍄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:

2.如果ptr为NULL,则realloc的行为类似于free,即它将分配一个新的内存块。 

int main()
{int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("realloc");return 1;}free(p);p = NULL;return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//不做返回值判断,就可能使用NULL指针解引用,就会报错*p = 20;return 0;
}

🍂这时候鼠标点上去编译器就会提示你有错误: 

🌴正确写法:

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");}//不做返回值判断,就可能使用NULL指针解引用,就会报错*p = 20;free(p);p = NULL;return 0;
}

3.2对动态开辟空间的越界访问

int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i <= 10; i++){ptr[i] = i;//当i是10的时候越界访问}for (i = 0; i <= 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);//当i是10的时候越界访问}free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

3.3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;
}

上述代码中的变量a是我们在栈上面开辟的空间,而free只能释放malloc、calloc、realloc开辟的空间,它们都是在堆区上面开辟空间。

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*ptr = i;ptr++;}// 0 1 2 3 4 0 0 0 0 0free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

在上述代码中,我们初始化内存块的时候,刚开始*ptr指向所开辟的这块空间的第一个元素,将它初始化为0,然后ptr++,指向第二个元素,初始化为1,直到循环结束,所开辟的这块空间前5个元素就会被初始化为0 1 2 3 4,而因为它是calloc开辟的空间,所以剩下的5个元素就会被初始化为0 0 0 0 0。而现在当这个循环结束的时候ptr++,它会指向第6个元素,紧接着直接释放内存,这个时候程序就会出现问题。所以我们要释放也是全部释放。
 

3.5对同一块动态内存多次释放

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){//...return 1;}free(p);//...free(p);return 0;
}

解决办法是第一次释放完空间后将p置为NULL指针,因为当free函数的参数为NULL指针是它什么事也不做。

3.6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);
}

忘记释放不在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。

四、经典笔试题

🌴题目一: 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>void GetMemory(char* p)
{p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);
}//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
int main()
{Test();return 0;
}

🍂解析:

上述这段代码运行起来后最终会崩溃。首先程序运行起来后先进入main函数,然后调用Test函数,进入Test函数后,创建指针变量str并将它置为NULL指针。紧接着再调用GetMemory函数,将实参str传给形参p,并将str的值也一并传给了形参,然后malloc开辟100个字节的空间并将它的起始地址返回给p,即p指向此时开辟的这100个字节的空间。当它返回被调用的GetMemory函数时,因为它是形参,一旦函数执行完毕,形参的值和状态将不再保留,所以p所占用的内存空间将会被释放,但malloc开辟的这块空间还存在,此时因为p不见了,所以没人能找到这块空间。函数继续往下执行,要将"hello world"拷贝到str指向的空间,但因为str是空指针,这儿必然会对空指针进行解引用操作,所以会出现程序崩溃的情况。而且程序运行结束时,malloc开辟的空间也没有释放,所以还会发生内存泄漏的情况。

🌻改正后的代码: 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>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;
}

因为形参是实参的一份临时拷贝,所以改变形参并不会影响到实参。在上面改进后的代码中,我们将str的地址传给形参,并用二级指针变量来接收,然后解引用p,找到str让他指向malloc函数开辟的空间,就可以将"hello world"拷贝过去了。

 🌴题目二: 

char* GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
int main()
{Test();return 0;
}

🍂解析:

在上述代码中,我们还是先进入主函数,然后调用Test函数,进入Test函数内部首先创建str指针变量并将它置为NULL指针,然后调用GetMemory函数并将它的返回值赋给str,进入GetMemory函数内部,创建一个数组,里边存放的是"hello world",这儿我们应该清楚这个p数组它是在栈上边创建的,进入这个函数创建,出这个函数销毁。然后返回p(此时p是数组名,代表的是数组首元素的地址),str接收返回的p,此时,str里边存放的就是p的地址值,但是,虽然将地址值带回来了,创建的那块空间却不属于我了(因为出了函数后,创建的空间就会还给操作系统,它的使用权限就不属于我了)。所以,当我们再去使用str指针的时候,它就会变成野指针,这种问题属于返回栈空间地址的问题。  

要想解决这个问题也很简单,第一种方法可以在局部变量char p[ ]前面加关键字static修饰,这样它就变成了静态局部变量,它会一直存在于内存中,直到程序结束。第二种方法是用malloc函数来开辟空间,只要程序不退出或主动回收,这块空间就一直存在。

 🌴题目三: 

void GetMemory(char** p, int num)
{*p = (char*)malloc(num);
}void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
int main()
{Test();return 0;
}

 🍂解析:

上面这段代码虽然能打印出结果来,但它在使用完malloc开辟的空间后没有将它释放,所以说存在内存泄漏的问题。

  🌴题目四: 

void Test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}
}//请问运行Test 函数会有什么样的结果?
int main()
{Test();return 0;
}

 🍂解析:

上面这段程序将"hello"拷贝到malloc函数开辟的空间后,直接将这块空间释放掉了,但str还是存着这块空间的地址,所以在if语句中判断时,它依然为真,那就进入函数内部,将"world"拷贝到str指向的这块空间的地址,此时的str已经变成了野指针,对野指针进行操作,就是非法访问内存。

其实这段代码考察的点在free释放完空间后有没有将str置为NULL指针。

五、C/C++程序的内存开辟


 

🌴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,我们就可以更好的理解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。

六、柔性数组

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: 

struct s
{char c;int i;int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

有些编译器会报错无法编译可以改成: 

struct s
{char c;int i;int arr[];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

6.1柔性数组的特点

1、结构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。

struct s
{char c;//1int i;//4int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct s));return 0;
}

 

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。

struct s
{char c;int i;int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){perror("malloc");return 1;}//释放free(pc);pc = NULL;return 0;
}

 6.2柔性数组的使用

//代码1
struct s
{char c;int i;int arr[];
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){peror("malloc");return 1;}pc->c = 'w';pc->i = 100;for (int i = 0; i < 5; i++){pc->arr[i] = i;}for (int i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", pc->arr[i]);}//空间不够了,增容struct s* ptr = (struct s*)realloc(pc, sizeof(struct s) + 40);if (ptr != NULL){pc = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}//增容成功后,继续使用// ......//释放free(pc);pc = NULL;return 0;
}

6.3柔性数组的优势

🌵上述的代码也可写成下面这样: 

//代码2
struct s
{char c;int i;int* data;
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){peror("malloc1");return 1;}pc->c = 'w';pc->i = 100;pc->data = (int*)malloc(20);if (pc->data == NULL){perror("malloc2");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){pc->data[i] = i;}for (int i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", pc->data[i]);}//空间不够了,增容int* ptr = (int*)realloc(pc->data, 40);if (ptr != NULL){pc->data = ptr;return 1;}//释放free(pc->data);pc->data = NULL;free(pc);pc = 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: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。

结语:

动态内存分配是一项强大而灵活的功能,它允许程序再运行时动态的分配和释放内存。然而,与之相伴而来的是一些潜在的问题和风险。在使用动态内存时,我们需要特别注意内存泄漏、野指针、内存碎片等问题,以及合理的管理内存的生命周期。 

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