C语言动态内存管理malloc柔性数组示例详解

目录
  • 1.1为什么存在动态内存管理
  • 1.2动态内存管理函数
    • 1.2.1malloc
    • 1.2.2free
    • 1.2.3calloc
    • 1.2.4realloc
  • 1.3动态内存管理函数易错点
    • 1.3.1对NULL指针的解引用操作
    • 1.3.2对动态开辟空间的越界访问
    • 1.3.3对非动态开辟内存使用free释放
    • 1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分
    • 1.3.5对同一块动态内存多次释放
    • 1.3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)
  • 2.1常见相关笔试题
  • 2.2C/C++语言中的内存开辟
  • 2.3柔性数组
    • 2.3.1柔性数组特点与使用
    • 2.3.2柔性数组的优点

大家好!在实现动态通讯录的时候,我用到了malloc 和realloc动态申请内存,现在我们就来好好聊一聊动态内存管理。

1.C语言动态内存管理库函数介绍

1.1为什么存在动态内存管理

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:

  • 空间开辟大小是固定的。
  • 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。也就是说当我们在定义变量时并不知道会使用多少的内存,这时候就需要进行动态内存开辟! 上述两种开辟内存方法一个在栈上开辟,一个在堆上开辟。 在C语言<stdlib.h>或<malloc.h>内置的库中有能够进行动态内存开辟的库函数。

1.2动态内存管理函数

1.2.1malloc

//Allocates memory blocks.
void *malloc( size_t size );

参数size_t size表示需要开辟的内存的字节数。该函数会返回开辟好内存的首地址,如果开辟失败返回NULL

比如使用malloc函数开辟拥有10个整型元素的数组,那需要开辟的字节数为40字节。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败!\n");
		exit(-1);//内存申请失败,程序没有再进行的必要,直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	return 0;
}

因为malloc函数的返回值类型为void*,所以需要将已经开辟好的内存的首地址强制转换成整型指针类型。

运行结果:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 22188)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

1.2.2free

对于动态内存开辟的空间,开辟的地址是在堆上的,使用完了是需要返还给操作系统的,C语言中专门有一个回收动态开辟内存的函数——free。当然,程序结束时,会自动释放内存。

//Deallocates or frees a memory block.
void free( void *memblock );

参数void *memblock表示动态开辟内存的首地址,注意这个地址只能是动态开辟内存的首地址,其他的地址都不行!如果传入的地址为NULL,则这个函数什么都不会做。 在上面所举例创建10个整型数组的程序中,就忽略了动态内存的释放,存在内存泄漏的风险。所以正确完整的程序应该为:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败!\n");
		exit(-1);//内存申请失败,程序没有再进行的必要,直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还,再借不难
	arr = NULL;//好习惯:内存释放后,将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 23232)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

内存泄漏的危害: 如果动态内存已经使用完了,但不还给操作系统,也就是没有释放内存,就有可能造成内存泄漏的风险。对于其危害,举个栗子,如果在服务器上存在内存泄漏,则可能造成服务器崩溃。因为服务器是一直工作的,一旦存在内存泄漏,使用完的内存不还回去,久而久之,服务器内存被占用的越来越多,终有一天由于内存不足而造成服务器崩溃。

1.2.3calloc

该函数功能与malloc非常相似,仅仅多了个初始化的功能,就是说在动态内存开辟时,自动将内存中的元素初始化为0

//Allocates an array in memory with elements initialized to 0.
void *calloc( size_t num, size_t size );

参数size_t num表示元素个数,size_t size表示每个元素所占字节数大小。

int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败!\n");
		exit(-1);//内存申请失败,程序没有再进行的必要,直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还,再借不难
	arr = NULL;//好习惯:内存释放后,将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果:

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 29776)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

1.2.4realloc

该函数能够在保留原数据的情况下,对动态申请内存的大小进行调整,通常用来对数组或者链表等数据结构进行扩容。该函数在调整动态内存大小时有以下两个细节:

  • 如果原申请内存地址后连续空间大于调整空间大小,则在原地址进行内存调整。
  • 如果原申请内存地址后连续空间小于调整空间大小,则在其他内存足够地方进行调整,并将原数据拷贝到新内存和释放原来申请内存的空间。

如果调整失败,返回NULL,调整成功返回新申请内存的首地址。

//Reallocate memory blocks.
void *realloc( void *memblock, size_t size );

参数 void *memblock表示需要调整空间的首地址(必须为动态开辟的内存空间),参数size_t size表示调整后内存的字节数。

将动态申请的整型数组元素个数调整至20。

int main()
{
	//使用malloc开辟一个含10个的整型元素数组
	int* arr = NULL;
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//为数组开辟内存
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败!\n");
		exit(-1);//内存申请失败,程序没有再进行的必要,直接强制结束程序
	}
	arr = p;//确认内存开辟成功再将此内存交给数组
	p = NULL;
	//增加数组元素个数为20
	p = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 20);
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存调整失败!\n");
		exit(-1);//内存调整失败,程序没有再进行的必要,直接强制结束程序
	}
	arr = p;
	p = NULL;
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 20; i++)
	{
		arr[i] = i + 1;
		printf("%d ", arr[i]);
	}
	free(arr);//有借有还,再借不难
	arr = NULL;//好习惯:内存释放后,将指针变量置空
	return 0;
}

运行结果:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 7520)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

1.3动态内存管理函数易错点

1.3.1对NULL指针的解引用操作

错误示范:

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);
}

改正:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4);
	if (p == NULL)
	{
		printf("内存申请失败!\n");
		exit(-1);//强制结束程序
	}
	*p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
	free(p);
}

1.3.2对动态开辟空间的越界访问

错误示范:

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);
}

改正:

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);
}

1.3.3对非动态开辟内存使用free释放

错误示范:

void test()
{
	int a = 10;
	int* p = &a;
	free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的,程序会崩溃
}

改正:

void test()
{
	int* a = (int*)malloc(sizeof(int));
	if (a == NULL)
	{
		exit(-1);//强制结束程序
	}
	*a = 10;
	int* p = a;
	free(p);//对非动态开辟的内存释放是错误的,程序会崩溃
	p = NULL;
	a = NULL;
}

1.3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

错误示范:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	p++;
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置,程序崩溃
}

改正:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);//p不再指向动态内存的起始位置,程序崩溃
	p = NULL;
}

1.3.5对同一块动态内存多次释放

错误示范:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
	free(p);//重复释放,程序崩溃
}

改正:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	free(p);
}

1.3.6动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

错误示范:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
}
int main()
{
	test();
	while (1);//内存忘记示范,内存泄漏,程序崩溃
}

改正:

void test()
{
	int* p = (int*)malloc(100);
	if (NULL != p)
	{
		*p = 20;
	}
	free(p);
	p = NULL;//好习惯
}
int main()
{
	test();
	while (1);
}

2.C语言动态内存管理库函数应用

2.1常见相关笔试题

//1.Test运行结果是什么?
void GetMemory(char* p) {
	p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	GetMemory(str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
}
//2.Test运行结果是什么?
char* GetMemory(void) {
	char p[] = "hello world";
	return p;
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}
//3.Test运行结果是什么?
void GetMemory(char** p, int num) {
	*p = (char*)malloc(num);
}
void Test(void) {
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
}
//4.Test运行结果是什么?
void Test(void) {
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

题1:函数GetMemory的形参为char* pp为该函数的局部变量,作用域在函数内部,出了函数该变量就被销毁了,并且没有对申请好的内存进行释放。所以参数str传入函数GetMemory后,其值不会改变,仍为NULL,空地址是不能被用户访问修改的,因此程序崩溃。

题2pGetMemory函数内部的局部变量,该函数运行完后,其栈帧被销毁,在函数外得到返回的地址并访问属于非法访问,打印该地址的字符串,如果该空间没有被覆盖,能够打印hello world,否则打印随机值。调用printf函数是有可能覆盖该地址的,所以极大概率打印的是随机值。

运行结果:

烫烫烫烫烫烫烫烫8
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 23592)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

题3:该程序虽然会输出hello,但是是存在内存泄漏的,因为最后并没有释放申请的内存。

hello
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 20096)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

应该改为:

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;
}

题4:输出world,将一个动态申请的空间释放,传入的指针变量是不会置空的,会成为一个野指针,所以我们要养成一个好习惯:释放一个空间,应将其传入的指针置空!

world
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (进程 13356)已退出,代码为 0。
按任意键关闭此窗口. . .

2.2C/C++语言中的内存开辟

C/C++程序内存分配的几个区域:

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • 代码段:存放函数体(类成员函数和全局函数)的二进制代码。

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。

2.3柔性数组

2.3.1柔性数组特点与使用

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。

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。
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
	return 0;
}

柔性数组的使用:

int main()
{
	int i = 0;
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int));
	//业务需求代码段
	p->i = 100;
	for (i = 0; i < 100; i++) {
		p->a[i] = i;
	}
	free(p);
	return 0;
}

2.3.2柔性数组的优点

不使用柔性数组也是可以实现同样的需求的:

typedef struct st_type
{
	int i;
	int* p_a;
}type_a;
int main()
{
	type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a));
	p->i = 100;
	p->p_a = (int*)malloc(p->i * sizeof(int));
	//业务需求代码段
	int i = 0;
	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;
}

但是使用柔性数组的优势是其空间使用是连续的,而不使用柔性数组,其空间使用相比于柔性数组是散落的。

柔性数组的优点:

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。(提升不是特别明显)

以上就是C语言动态内存管理malloc柔性数组示例详解的详细内容,更多关于C语言动态内存malloc柔性数组的资料请关注我们其它相关文章!

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