动态内存管理

2023-10-30

对于内存我们了解道的就有栈区域、,堆区,静态区,常量储存区,代码区。

栈区(stack):指那些由编译器在需要的时候分配,不需要时自动清除的变量所在的储存区,如函数执行时,函数的形参以及函数内的局部变量分配在栈区,函数运行结束后,形参和局部变量去栈(自动释放)。栈内存分配运算内置与处理器的指令集中,效率高但是分配的内存空间有限。

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

静态储存区(static):全局变量和静态变量的储存是放在一块的,其中初始化的全局变量和静态变量在一个区域,这块空间当程序运行结束后由系统释放。

常量储存区(const):常量字符串就是储存在这里的,如“ABC”字符串就储存在常量区,储存在常量区的只读不可写。const修饰的全局变量也储存在常量区,const修饰的局部变量依然在栈上。

程序代码区:存放源程序的二进制代码。

本章主要对堆区稍作理解。

1.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 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。
我们对空间的需求不仅是上述的情况, 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。

这时动态内存就非常有用了。

2. 动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

 malloc 和 free 是被<stdlib.h>头文件包含的库函数

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 0 malloc 的行为是标准是未定义的,取决于编译器。

c语言提供了free专门回收动态内存的释放。

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 NULL 指针,则函数什么事都不做。
举个例子
#include <stdio.h>
int main()
{
 int num = 0;
 scanf("%d", &num);
 int arr[num] = {0};
}
#include <stdio.h>
int main()
{
    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;//是否有必要?
 return 0; 
}

这两种写法一个是在栈上开辟一块空间,一个是在堆区开辟空间。

2.2 calloc

 calloc 与 malloc 的主要区别在于 zero - initialize 上

该函数的功能是为 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)
	{
		//使用空间
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

 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。

2.3 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。
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 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.

3. 常见的动态内存错误

3.1 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);
}

3.2 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
     //指向一块不属于堆区的空间
     }
     free(p);
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
     int a = 10;
     int *p = &a;
     free(p);//ok?
}

3.4 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
}

3.5 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
 }

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);
}

没有使用free。

切记malloc 和 free 是成对出现的,使用完空间后一定要还回去,否则会照成内=内存泄露的问题。

4. 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;

如果编译器无法编译可以换成以下这种写法

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

4.1 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;
printf("%d\n", sizeof(type_a));//输出的是4

4.2柔性数组的使用

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。
这样看起来似乎并不能体现 ' 柔 ' 的特点。
不急,我们来看看下面这一段代码。
上述的 type_a 结构也可以设计为:
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;

虽然效果都一样,但是柔性数组对于第二段代码有两个好处

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
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