C语言——动态内存管理

news/2025/2/13 19:48:31/

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    • 0. 思维导图:
    • 1. 为什么存在动态内存分配
    • 2. 动态内存函数介绍
      • 2.1 malloc和free
      • 2.2 calloc
      • 2.3 realloc
    • 3. 常见的动态内存错误
      • 3.1 对NULL指针的解引用操作
      • 3.2 对动态内存开辟的空间越界访问
      • 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 动态内存开辟忘记释放(内存泄漏)
    • 4. C/C++程序的内存开辟

0. 思维导图:

在这里插入图片描述

1. 为什么存在动态内存分配

	int a = 10;//在栈空间开辟四个字节int arr[10] = { 0 };//在栈空间上开辟40个字节的连续空间

此类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,必须指定数组长度,它所需要的内存在编译时分配(变长数组是不能改变数组的大小的,仅仅是允许数组的大小可用变量指定)。

但是对于空间大小的要求,有时候是需要在程序运行的时候才知道的,这时就需要使用动态内存开辟了。

2. 动态内存函数介绍

C语言分为3种内存池:栈区、堆区、静态区,而我们的动态内存函数,是属于堆区。
在这里插入图片描述

2.1 malloc和free

malloc参数及返回类型:
void* malloc (size_t size);

malloc可以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(所以在使用malloc时,一定要先检查返回值,看是否开辟成功)。
  • 返回值的类型是 *void,具体使用什么类型,由使用者来决定。
  • 如果size为0,malloc的行为是标准未定义的,取决于编译器。
    (该行为毫无意义,就好比找人借钱
    A:兄弟,最近手头有点紧,借点钱花花。
    B:借多少?
    A:借0元
    B:滚!)

因为malloc是在堆区上申请的内存空间,使用完毕之后需要将内存归还,所以C语言提供了内外一个free函数,专门用来做动态内存的释放和回收的。

free的参数及返回类型:
void free (void* ptr);

free函数用来释放动态开辟的内存。

  • 如果参数ptr指向的空间不是动态内存开辟的,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。

malloc和free的声明都在stdlib.h头文件中,在使用时需引用头文件。
代码示例:

#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{//申请40个字节,用来存放10个整型int* ptr = (int*)malloc(40);if (ptr == NULL)//判断ptr是否申请成功{printf("%s\n", strerror(errno));return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i + 1;printf("%d ", *(ptr + i));}//释放内存free(ptr);//如果不将ptr设置为空,则ptr将是野指针,所以需要我们主动置空ptr = NULL;return 0;
}

2.2 calloc

C语言还提供了一个函数叫calloccalloc函数也用来动态内存分配。

calloc的参数及返回类型:
void* calloc (size_t num, size_t size);

  • 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。
  • 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0。

代码示例:

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

malloc申请到的空间,没有初始化,直接返回起始地址;
calloc申请到空间之后,会把空间初始为0,再返回起始地址。
如果申请的内存要求初始化,那么可用很方便使用calloc函数。
不过,因为malloc不需要初始化,所以整体来说malloc的效率会稍高于calloc
在这里插入图片描述

2.3 realloc

realloc函数的出现让动态内存的管理更加灵活,有时申请的空间大了,有事申请的空间又小了,那么为了合理的内存分配,就会使用realloc对动态内存就行调整。

realloc的参数及返回类型:
void* realloc (void* ptr, size_t size);

  • ptr是需调整的内存地址;
  • size调整之后的新大小;
  • 返回值为调整之后的起始地址;
  • 这个函数调整原内存空间大小的基础上,还好将原来内存中的数据移动到新的空间
  • realloc调整内存空间存在的两种情况:
    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
    在这里插入图片描述
    代码示例:
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{int* p = (int*)malloc(5 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*(p + i) = 1;}//再向内存申请5个整型的空间//此时用新的指针地址接收,防止realloc申请失败,把原有的地址覆盖int* ptr = (int*)realloc(p, 10 * sizeof(int));if (ptr != NULL){p = ptr;}for (i = 5; i < 10; i++){*(p + i) = 1;}free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

3. 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(INT_MAX);//未对malloc的返回值进行判断int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(p + i) = 0;}free(p);p = NULL;return 0;
}

3.2 对动态内存开辟的空间越界访问

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);//向内存申请了100个字节空间if (p = NULL){return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 100; i++){//此时访问的是100个整型的空间,应该需要400个字节//越界访问*(p + i) = 0;}free(p);p = NULL;return 0;
}

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{int a = 0;//栈区int* p = &a;free(p);p = NULL;
}

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 25; i++){*p = i;//p的地址发生改变p++;}free(p);//p未指向起始地址p = NULL;return 0;
}

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}free(p);//...//将p释放,但未置空,此时p为野指针//如果将p释放后置空,那么在释放一次,free的参数为null,函数什么都不做free(p);return 0;
}

3.6 动态内存开辟忘记释放(内存泄漏)

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

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏,程序会一直吃内存(如下图)
在这里插入图片描述

使用mallocfree一定要成对使用。

4. C/C++程序的内存开辟

C/C++程序内存区域划分:
在这里插入图片描述
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。

http://www.ppmy.cn/news/26994.html

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