為什么要有動態內存分配？

文章目錄

  • 1.為什么要有動態內存分配
  • 2.malloc和free
    • 2.1 malloc
    • 2.2 free
  • 3.calloc和realloc
    • 3.1 calloc
    • 3.2 realloc
  • 4.常見的動態內存的錯誤
    • 4.1 對NULL指針的解引用操作
    • 4.2 對動態開辟空間的越界訪問
    • 4.3 對?動態開辟內存使?free釋放
    • 4.4 使?free釋放?塊動態開辟內存的?部分
    • 4.5 對同?塊動態內存多次釋放
    • 4.6 動態開辟內存忘記釋放（內存泄漏）
  • 5.動態內存經典筆試題分析
    • 5.1 題?1：
    • 5.2 題?2：
    • 5.3 題?3：
    • 5.4 題?4：
  • 6.柔性數組
    • 6.1 柔性數組的特點：
    • 6.2 柔性數組的使?
    • 6.3 柔性數組的優勢
  • 7.總結C/C++中程序內存區域劃分

1.為什么要有動態內存分配

我們已經掌握的內存開辟?式有：

int val = 20;//在棧空間上開辟四個字節
char arr[10] = {0};//在棧空間上開辟10個字節的連續空間

但是上述的開辟空間的?式有兩個特點：

  • 空間開辟??是固定的。
  • 數組在申明的時候，必須指定數組的?度，數組空間?旦確定了??不能調整

但是對于空間的需求，不僅僅是上述的情況。有時候我們需要的空間??在程序運?的時候才能知道，那數組的編譯時開辟空間的?式就不能滿?了。

C語?引?了動態內存開辟，讓程序員??可以申請和釋放空間，就?較靈活了。

2.malloc和free

2.1 malloc

C語?提供了?個動態內存開辟的函數：

void* malloc (size_t size);

這個函數向內存申請?塊連續可?的空間，并返回指向這塊空間的指針。

  • 如果開辟成功，則返回?個指向開辟好空間的指針。
  • 如果開辟失敗，則返回?個 NULL 指針，因此malloc的返回值?定要做檢查。
  • 返回值的類型是 void* ，所以malloc函數并不知道開辟空間的類型，具體在使?的時候使?者??來決定。
  • 如果參數 size 為0，malloc的?為是標準是未定義的，取決于編譯器。

2.2 free

C語?提供了另外?個函數free，專?是?來做動態內存的釋放和回收的，函數原型如下：

void free (void* ptr);

free函數?來釋放動態開辟的內存。

  • 如果參數 ptr 指向的空間不是動態開辟的，那free函數的?為是未定義的。
  • 如果參數 ptr 是NULL指針，則函數什么事都不做。

舉個例?：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int num = 0;
scanf("%d", &num);
int arr[num] = {0};
int* ptr = NULL;
ptr = (int*)malloc(num*sizeof(int));
if(NULL != ptr)//判斷ptr指針是否為空
{
int i = 0;
for(i=0; i<num; i++)
{
*(ptr+i) = 0；
}
}
free(ptr);//釋放ptr所指向的動態內存
ptr = NULL;//是否有必要？
return 0;
}

3.calloc和realloc

3.1 calloc

C語?還提供了?個函數叫 calloc ， calloc 函數也?來動態內存分配。原型如下:

void* calloc (size_t num, size_t size);
  • 函數的功能是為 num 個??為 size 的元素開辟?塊空間，并且把空間的每個字節初始化為0。
  • 與函數 malloc 的區別只在于 calloc 會在返回地址之前把申請的空間的每個字節初始化為全0。

舉個例?：

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

在這里插入圖片描述

所以如果我們對申請的內存空間的內容要求初始化，那么可以很?便的使?calloc函數來完成任務。

3.2 realloc

  • realloc函數的出現讓動態內存管理更加靈活。
  • 有時會我們發現過去申請的空間太?了，有時候我們?會覺得申請的空間過?了，那為了合理的使?內存，我們?定會對內存的??做靈活的調整。那 realloc 函數就可以做到對動態開辟內存??的調整。

函數原型如下：

void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr是要調整的內存地址
  • size 調整之后新??
  • 返回值為調整之后的內存起始位置。
  • 這個函數調整原內存空間??的基礎上，還會將原來內存中的數據移動到 新的空間。
  • realloc在調整內存空間的是存在兩種情況：
    • 情況1：原有空間之后有?夠?的空間
    • 情況2：原有空間之后沒有?夠?的空間

在這里插入圖片描述

情況1

當是情況1 的時候，要擴展內存就直接原有內存之后直接追加空間，原來空間的數據不發?變化。

情況2

當是情況2 的時候，原有空間之后沒有?夠多的空間時，擴展的?法是：在堆空間上另找?個合適??的連續空間來使?。這樣函數返回的是?個新的內存地址。

由于上述的兩種情況，realloc函數的使?就要注意?些。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int *ptr = (int*)malloc(100);
if(ptr != NULL)
{
//業務處理
}
else
{
return 1;
}
//擴展容量
//代碼1 - 直接將realloc的返回值放到ptr中
ptr = (int*)realloc(ptr, 1000);//這樣可以嗎？(如果申請失敗會如何？)
//代碼2 - 先將realloc函數的返回值放在p中，不為NULL，在放ptr中
int*p = NULL;
p = realloc(ptr, 1000);
if(p != NULL)
{
ptr = p;
}
//業務處理
free(ptr);
return 0;
}

4.常見的動態內存的錯誤

4.1 對NULL指針的解引用操作

void test()
{
int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
*p = 20;//如果p的值是NULL，就會有問題
free(p);
}

4.2 對動態開辟空間的越界訪問

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;//當i是10的時候越界訪問
}
free(p);
}

4.3 對?動態開辟內存使?free釋放

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

4.4 使?free釋放?塊動態開辟內存的?部分

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
p++;
free(p);//p不再指向動態內存的起始位置
}

4.5 對同?塊動態內存多次釋放

void test()
{
int *p = (int *)malloc(100);
free(p);
free(p);//重復釋放
}

4.6 動態開辟內存忘記釋放（內存泄漏）

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

忘記釋放不再使?的動態開辟的空間會造成內存泄漏。

切記：動態開辟的空間?定要釋放，并且正確釋放。

5.動態內存經典筆試題分析

5.1 題?1：

void GetMemory(char *p)
{
p = (char *)malloc(100);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str, "hello world");
printf(str);
}

請問運?Test 函數會有什么樣的結果？

5.2 題?2：

char *GetMemory(void)
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
}

請問運?Test 函數會有什么樣的結果？

5.3 題?3：

void GetMemory(char **p, int num)
{
*p = (char *)malloc(num);
}
void Test(void)
{
char *str = NULL;
GetMemory(&str, 100);
strcpy(str, "hello");
printf(str);
}

請問運?Test 函數會有什么樣的結果？

5.4 題?4：

void Test(void)
{
char *str = (char *) malloc(100);
strcpy(str, "hello");
free(str);
if(str != NULL)
{
strcpy(str, "world");
printf(str);
}
}

請問運?Test 函數會有什么樣的結果？

6.柔性數組

也許你從來沒有聽說過柔性數組（flexible array）這個概念，但是它確實是存在的。

C99 中，結構中的最后?個元素允許是未知??的數組，這就叫做『柔性數組』成員。

例如：

struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性數組成員
};

有些編譯器會報錯?法編譯可以改成：

struct st_type
{
int i;
int a[];//柔性數組成員
};

6.1 柔性數組的特點：

  • 結構中的柔性數組成員前?必須?少?個其他成員。
  • sizeof 返回的這種結構??不包括柔性數組的內存。
  • 包含柔性數組成員的結構?malloc ()函數進?內存的動態分配，并且分配的內存應該?于結構的??，以適應柔性數組的預期??。

例如：

typedef struct st_type
{
int i;
int a[0];//柔性數組成員
}type_a;
int main()
{
printf("%d\n", sizeof(type_a));//輸出的是4
return 0;
}

6.2 柔性數組的使?

//代碼1
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main()
{
int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//業務處理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++)
{
p->a[i] = i;
}
free(p);
return 0;
}

這樣柔性數組成員a，相當于獲得了100個整型元素的連續空間。

6.3 柔性數組的優勢

上述的 type_a 結構也可以設計為下?的結構，也能完成同樣的效果。

//代碼2
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
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));
//業務處理
for(i=0; i<100; i++)
{
p->p_a[i] = i;
}
//釋放空間
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}

上述 代碼1 和 代碼2 可以完成同樣的功能，但是 ?法1 的實現有兩個好處：

第?個好處是：?便內存釋放

如果我們的代碼是在?個給別??的函數中，你在??做了?次內存分配，并把整個結構體返回給??。??調?free可以釋放結構體，但是??并不知道這個結構體內的成員也需要free，所以你不能指望??來發現這個事。所以，如果我們把結構體的內存以及其成員要的內存?次性分配好了，并返回給???個結構體指針，??做?次free就可以把所有的內存也給釋放掉。

第?個好處是：這樣有利于訪問速度.

連續的內存有益于提?訪問速度，也有益于減少內存碎?。（其實，我個?覺得也沒多?了，反正你跑不了要?做偏移量的加法來尋址）

7.總結C/C++中程序內存區域劃分

在這里插入圖片描述

C/C++程序內存分配的?個區域：

  1. 棧區（stack）：在執?函數時，函數內局部變量的存儲單元都可以在棧上創建，函數執?結束時

這些存儲單元?動被釋放。棧內存分配運算內置于處理器的指令集中，效率很?，但是分配的內

存容量有限。 棧區主要存放運?函數?分配的局部變量、函數參數、返回數據、返回地址等。

《函數棧幀的創建和銷毀》

  1. 堆區（heap）：?般由程序員分配釋放， 若程序員不釋放，程序結束時可能由OS（操作系統）

回收 。分配?式類似于鏈表。

  1. 數據段（靜態區）：（static）存放全局變量、靜態數據。程序結束后由系統釋放。
  2. 代碼段：存放函數體（類成員函數和全局函數）的?進制代碼。

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