c语言进阶部分详解（详细解析动态内存管理）

2024-01-18 18:34:21 浏览数 (2)

上篇文章介绍了枚举，联合相关的内容，大家可以点击链接进行浏览：c语言进阶部分详解（详细解析自定义类型——枚举，联合（共用体））-CSDN博客

各种源码大家可以去我的github主页进行查找：Nerosts/just-a-try: 学习c语言的过程、真 (github.com)

今天来介绍动态内存管理 的相关内容：

一.为什么存在动态内存分配

我们熟悉的内存开辟方法：

代码语言：javascript复制
int a = 20;//在栈空间上开辟四个字节的空间
char arr[10] = {0};//在栈空间上开辟10个字节的连续空间

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，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。undefined 这时候就只能试试动态存开辟了

各种变量存储位置：

二.动态内存函数的介绍

2.1 malloc( )函数

malloc函数是C语言中的一个动态内存分配函数，用于在程序运行时动态地分配内存空间。它的作用是在堆区中申请一块指定大小的内存空间，并返回该内存块的首地址。

malloc函数的原型为：

#include<stdlib.h> void *malloc(size_t size)

其中，size_t是一个无符号整数类型，用于表示要分配的内存空间的大小（单位为字节）。malloc函数返回一个void类型的指针，指向分配的内存空间的起始地址。如果分配失败，则返回NULL

  • 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

2.2free（ ）函数

free函数是C语言中的一个内存释放函数，用于释放之前使用malloc、calloc或realloc函数分配的内存空间。它的作用是将不再使用的内存空间返回给系统，以便其他程序或操作系统可以重新利用该内存

free函数的原型为：

#include<stdlib.h> void free(void *ptr);

ptr是一个指向要释放的内存空间的指针。该指针必须是之前使用malloc、calloc或realloc函数返回的指针，或者是NULL指针。如果ptr是NULL指针，则free函数不会进行任何操作

  • 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

示例：

代码语言：javascript复制
int main()
{
	int* arr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//使用malloc函数进行动态内存开辟
	//因为返回值是void* 所以要强转一下
	if (arr == NULL)
	{
		perror("malloc");//如果开辟失败就进行说明
	}

	for (int i = 0; i < 10; i  )
	{
		arr[i] = i;
	}

	free(arr);//在程序最后要结束时主动进行释放
    arr=NULL;
	return 0;
}
  • 我们用free是进行主动释放开辟的动态内存
  • 程序退出后，操作系统会自动回收的，这是被动（尽量避免，还是要free）

2.3calloc（）函数

calloc函数是C语言中的一个内存分配函数，用于在堆上分配一块指定大小的内存空间，并将该空间的每个字节初始化为0

calloc函数的原型为：

#include<stdlib.h> void *calloc(size_t num, size_t size);

其中，num表示要分配的元素个数，size表示每个元素的大小。calloc函数会返回一个指向分配内存的指针，如果分配失败则返回NULL

  • 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
代码语言：javascript复制
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		
		perror("calloc");
	}

//使用。。。。

	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

大家可以看到内存情况：

2.4realloc（）函数

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

realloc函数的原型为：

#include<stdlib.h> void *realloc(void *ptr, size_t size);

其中，ptr是之前分配的内存指针，size是重新分配的内存大小。realloc函数会尝试将ptr指向的内存空间重新分配为size大小的内存空间，并返回一个指向重新分配后的内存空间的指针

  1. 如果ptr为NULL，那么realloc的行为就相当于malloc，它会分配一个大小为size的新内存空间，并返回指向该内存空间的指针。
  2. 如果size为0，那么realloc的行为就相当于free，它会释放ptr指向的内存空间，并返回NULL。
  3. 如果ptr不为NULL且size不为0，那么realloc会尝试重新分配ptr指向的内存空间。如果成功，会返回指向重新分配后的内存空间的指针；如果失败，会返回NULL，并且原来的内存空间仍然有效

扩展空间情况也有两种：

  • 当原有空间之后有足够大的空间：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
  • 当原有空间之后有不够大：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
代码语言：javascript复制
int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
	if (NULL != p)
	{
		perror("calloc");
	}
	for (int i = 0; i < 10; i  )
	{
		p[i] = i;
	}

//使用。。。。

	int* pa = NULL;
	pa = realloc(p, 1000);
	if (p != NULL)
	{
		p = pa;
	}

	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

代码语言：javascript复制
void test1()
{
 int *p = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
 *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

代码语言：javascript复制
void test2()
{
 int *p = (int *)malloc(10*sizeof(int));
 if(NULL == p)
 {
 exit(EXIT_FAILURE);
 }
 for(iny i=0; i<=10; i  )
 {
 *(p i) = i;//当i是10的时候越界访问
 }
 free(p);
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

代码语言：javascript复制
void test3()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//这也是不可以的
}

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

代码语言：javascript复制
void test4()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p  ;   //p不再指向动态内存的起始位置
 free(p);
}

3.5对同一块动态内存多次释放

代码语言：javascript复制
void test5()
{
 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）

代码语言：javascript复制
void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 if(NULL != p)
 {
 *p = 20;
 }
}
int main()
{
 test();//调用函数后，p的那片空间没办法用了，在函数结束后，函数内动态分配的内存空间不会自动销毁
 while(1);
}

在函数结束后，函数内动态分配的内存空间不会自动销毁。这是因为动态分配的内存空间是在堆上分配的，而不是在函数的栈帧上。栈帧上的局部变量在函数结束时会自动销毁，但堆上分配的内存空间需要手动释放 。

四.C/C 程序的内存开辟

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，函数执结undefined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undefined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undefined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

好啦，这次的内容就先到这里的，下一次会讲解一些关于动态内存的经典的题目和柔性数组相关的知识。

程序 函数 内存 内存管理 指针

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