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C語言中動態(tài)內(nèi)存管理圖文詳解

 更新時間:2022年06月17日 16:24:16   作者:烤雞肉玉米煎餅  
在編寫程序時,通常并不知道需要處理的數(shù)據(jù)量,或者難以評估所需處理數(shù)據(jù)量的變動程度,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于C語言中動態(tài)內(nèi)存管理的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

1.動態(tài)內(nèi)存開辟的原因

常見的內(nèi)存開辟方式

int val = 20;//在棧空間上開辟四個字節(jié)的空間

char arr[10] = {0};//在棧空間上開辟10個字節(jié)的連續(xù)空間

上面開辟空間的方式有兩個特點:

1.空間開辟的大小是固定的;

2. 數(shù)組在聲明的時候,必須指定數(shù)組的長度,它所需要的空間在編譯時分配;

但是對于空間的需求,不只是上面的情況,有時候需要的空間大小在程序運行的時候才能得知,這時候數(shù)組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。

所以需要動態(tài)開辟內(nèi)存

2.動態(tài)內(nèi)存函數(shù)的介紹

動態(tài)內(nèi)存的開辟都是在內(nèi)存的堆區(qū)中進(jìn)行開辟的

2.1malloc和free

C語言提供了一個動態(tài)開辟內(nèi)存的函數(shù):

void* malloc(size_t size);

malloc函數(shù)向內(nèi)存申請一塊連續(xù)可用的空間,并返回指向這塊空間起始位置的指針。

1.如果開辟成功,則返回一個指向開辟好的空間的指針;

2.如果開辟失敗,則返回一個NULL指針,因此malloc的返回值一定要做檢查,不然可能會造成野指針的問題;

3.返回值的類型時void*,所以malloc函數(shù)并不知道開辟空間的類型,具體在使用的時候由使用者自己來決定返回值的類型;

4.如果參數(shù)size為0,此時malloc函數(shù)的行為是標(biāo)準(zhǔn)未定義的,取決于程序運行時使用的編譯器;

malloc的使用:

vint main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//向內(nèi)存申請一塊40字節(jié)的空間,并對放回的指針類型轉(zhuǎn)換
	if (p == NULL)//返回NULL指針時讓打印錯誤信息并讓程序結(jié)束
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	return 0;
}

要記得包含頭文件<stdlib.h>

這樣就對開辟的內(nèi)存空間進(jìn)行了一個使用了,但是還有點問題,因為向內(nèi)存申請的空間沒有進(jìn)行釋放。

所以這時就引入了另一個函數(shù)free

C語言提供了另一個函數(shù)free,專門用來做動態(tài)內(nèi)存的釋放和回收的

void free(void* ptr);

free函數(shù)用來釋放動態(tài)開辟的內(nèi)存

1.如果參數(shù)ptr指向的空間是不是動態(tài)開辟的,那么free函數(shù)的行為是未定義的;

2.如果參數(shù) ptr是NULL指針,則free函數(shù)什么事也不做;

malloc和free函數(shù)都聲明在stdlib.h頭文件中

free的使用:

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);//向內(nèi)存申請一塊40字節(jié)的空間,并對放回的指針類型轉(zhuǎn)換
	if (p == NULL)//返回NULL指針時讓打印錯誤信息并讓程序結(jié)束
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);//釋放p所指向的動態(tài)內(nèi)存
	p == NULL;//將p的值置為NULL
	return 0;
}

free的參數(shù)一定是動態(tài)開辟內(nèi)存空間的那個起始位置的地址,否則會報錯

在用free釋放完動態(tài)開辟的內(nèi)存之后,要對之前指向動態(tài)開辟空間的那個指針置為NULL,因為那塊動態(tài)開辟的空間已經(jīng)被操作系統(tǒng)回收了,沒有了訪問的權(quán)限,所以要讓p的值為NULL,避免野指針的問題。

如果對動態(tài)內(nèi)存開辟的空間沒有釋放掉,會出現(xiàn)一個內(nèi)存泄漏的問題。

2.2calloc

C語言還提供了一個calloc函數(shù),calloc也是用來進(jìn)行動態(tài)內(nèi)存的分配

void* calloc(size_t num, size_t size);

 1.calloc的功能是為num個字節(jié)大小為size的元素開辟一個空間,并且把空間的每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都初始化為0,然后返回這塊連續(xù)空間的起始位置的地址;

2.與malloc函數(shù)的區(qū)別只在于,calloc在返回地址之前會把申請的空間的每個字節(jié)的數(shù)據(jù)都初始化為全0;

calloc的使用:

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, 4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

內(nèi)存情況:

 可以看到,動態(tài)開辟的40個字節(jié)的空間都被初始化為全0

所以如果要對動態(tài)開辟的空間進(jìn)行初始化,可以直接使用calloc函數(shù)來完成

2.3realloc

有時會發(fā)現(xiàn)申請的空間太大或者太小了,為了合理的使用內(nèi)存,一定會對內(nèi)存的大小做一個靈活的調(diào)整,那么realloc函數(shù)就可以做到對動態(tài)開辟內(nèi)存大小的調(diào)整

realloc函數(shù)的出現(xiàn)讓動態(tài)內(nèi)存管理更加靈活

void* realloc (void* ptr, size_t size); 

1.ptr是要調(diào)整的內(nèi)存空間;

2.size是調(diào)整之后的新大小;

3.返回值為調(diào)整之后的內(nèi)存起始位置;

4.realloc函數(shù)在調(diào)整原內(nèi)存空間大小的基礎(chǔ)上,還會將原來內(nèi)存中的數(shù)據(jù)移動到新的空間;

realloc函數(shù)在調(diào)整內(nèi)存空間時存在兩種情況:

情況1:要調(diào)整的空間之后有足夠的空間來存放調(diào)整之后的大小

情況2:要調(diào)整的空間之后沒有足夠大的空間

如果是情況1,那么就在原有的內(nèi)存之后追加新的空間,原來空間的數(shù)據(jù)不發(fā)生變化。

如果是情況2,原有空間之后沒有足夠多的空間,此時就會在堆空間上另找一個合適大小的連續(xù)空間來使用,這樣函數(shù)返回的是一個新的內(nèi)存地址 

 并且realloc函數(shù)還會將原空間的數(shù)據(jù)移動到新的空間。

如果realloc函數(shù)在堆區(qū)中都找不到一塊合適的空間,則會返回NULL指針。        

realloc的使用:

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, 4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	p = realloc(p, 1000);
	if (p == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

其次,realloc函數(shù)還能使原有空間變?。?/p>

使用:

int main()
{
	int* p = (int*)calloc(10, 4);
	if (p == NULL)
	{
		perror("calloc");
		return 1;
	}
	p = realloc(p, 20);
	if (p == NULL)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

內(nèi)存情況:

3.常見的動態(tài)內(nèi)存錯誤

3.1對NULL指針的解引用操作

 這里編譯器直接把對NULL指針的解引用操作給取消掉了,如果在其他的編譯器下運行,可能會出現(xiàn)問題,所以一定要對動態(tài)開辟內(nèi)存函數(shù)的返回值進(jìn)行一個NULL指針的判斷。

3.2對動態(tài)開辟空間的越界訪問

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	if (p == NULL)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}
	int i = 0;
	for (i = 0; i <= 10; i++)
	{
		*(p + i) = i;
	}
	free(p);
	p = NULL;
	return 0;
}

其中*(p + 10) = 10;時對動態(tài)開辟的空間進(jìn)行了一個越界訪問了,編譯器直接報錯

3.3對非動態(tài)開辟內(nèi)存使用free

對棧區(qū)上的空間使用free:

int main()
{
	int a = 0;
	free(&a);
	return 0;
}

此時編譯器也會給出一個錯誤 

3.4使用釋放一塊動態(tài)開辟內(nèi)存的一部分

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	p++;
	free(p);
	return 0;
}

此時p沒有指向動態(tài)開辟內(nèi)存的起始位置

編譯器同樣給出了一個錯誤

3.5對同一塊動態(tài)內(nèi)存多次釋放

int main()
{
	int* p = (int*)malloc(40);
	free(p);
	free(p);
	return 0;
}

 p已經(jīng)釋放過了

3.6動態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放(內(nèi)存泄漏)

在向內(nèi)存申請了一塊空間之后沒有對其進(jìn)行釋放會造成內(nèi)存泄漏的問題

會迅速吃滿你的內(nèi)存

int main()
{
	while (1)
	{
		malloc(40);
	}
	return 0;
}

 如圖:

如果程序在沒有結(jié)束之前申請的內(nèi)存都沒有進(jìn)行釋放的話,就會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏的問題。所以在申請好一塊內(nèi)存之后要記得對其進(jìn)行釋放。

總結(jié):

忘記釋放不再使用的動態(tài)內(nèi)存開辟的空間就會造成內(nèi)存泄漏的問題,而且動態(tài)開辟的空間要正確釋放。

4.練習(xí)

4.1練習(xí)1

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

請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果?

先創(chuàng)建了一個字符指針變量賦值為NULL,然后調(diào)用函數(shù)GerMemory,調(diào)用函數(shù)時形參只是一份對實參的臨時拷貝,函數(shù)調(diào)用時,申請了一塊動態(tài)開辟內(nèi)存,但是并沒有返回p,p在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后銷毀了,所以此時str指向的還是NULL,strcpy使用時對NULL指針進(jìn)行了解引用,造成了非法訪問,野指針的問題,也造成了動態(tài)內(nèi)存錯誤

4.1練習(xí)2

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

請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果?

調(diào)用GetMemory函數(shù)時在棧區(qū)開辟了一塊數(shù)組的空間,而在函數(shù)調(diào)用結(jié)束后數(shù)組開辟的空間已經(jīng)被回收了,str接收了p的值,而p所指向的空間已經(jīng)被回收了,所以p所指向的值也會發(fā)生變化,所以此時printf(str);打印的會是未知的結(jié)果

4.3練習(xí)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);
}

請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果?

 Getmemory函數(shù)時傳址調(diào)用,將申請的動態(tài)開辟內(nèi)存空間的起始位置地址給了str,所以能夠正常訪問開辟的內(nèi)存。不過沒有進(jìn)行free會造成內(nèi)存泄漏的問題。

4.4練習(xí)4

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

請問運行Test 函數(shù)會有什么樣的結(jié)果?

此時已經(jīng)str所指向的動態(tài)內(nèi)存空間已經(jīng)釋放掉了,會造成非法訪問。

5.C/C++程序的內(nèi)存開辟

C/C++程序內(nèi)存分配的幾個區(qū)域:

1.棧區(qū):在執(zhí)行函數(shù)時,函數(shù)內(nèi)部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建,函數(shù)結(jié)束時這些存儲單元自動被釋放。棧內(nèi)存分配運算內(nèi)置于處理器的指令集中,效率很高,但是分配的內(nèi)存容量有限。棧區(qū)主要存放運行函數(shù)而存放的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回數(shù)據(jù)、返回地址等。

2.堆區(qū):一般有程序員分配,若程序員不釋放,程序結(jié)束時可能由OS回收,分配方式類似于鏈表。

3.數(shù)據(jù)段(靜態(tài)區(qū)):存放全局變量,靜態(tài)數(shù)據(jù),程序結(jié)束后由系統(tǒng)釋放。

4.代碼段:存放函數(shù)體的二進(jìn)制代碼

實際上普通的局部變量是在棧區(qū)分配空間的,棧區(qū)的特點是在上面創(chuàng)建的變量出了作用域就銷毀,但是被static修飾的變量存放在數(shù)據(jù)段,數(shù)據(jù)段的特點是,在上面創(chuàng)建的變量,直到程序結(jié)束才銷毀,所以static修飾的變量生命周期變長了。

總結(jié)

到此這篇關(guān)于C語言中動態(tài)內(nèi)存管理的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C語言動態(tài)內(nèi)存管理內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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