C語言動態(tài)內(nèi)存管理malloc柔性數(shù)組示例詳解
大家好!在實現(xiàn)動態(tài)通訊錄的時候,我用到了malloc
和realloc
動態(tài)申請內(nèi)存,現(xiàn)在我們就來好好聊一聊動態(tài)內(nèi)存管理。
1.C語言動態(tài)內(nèi)存管理庫函數(shù)介紹
??1.1為什么存在動態(tài)內(nèi)存管理
我們已經(jīng)掌握的內(nèi)存開辟方式有:
int val = 20;//在??臻g上開辟四個字節(jié) char arr[10] = {0};//在??臻g上開辟10個字節(jié)的連續(xù)空間
但是上述的開辟空間的方式有兩個特點:
- 空間開辟大小是固定的。
- 數(shù)組在申明的時候,必須指定數(shù)組的長度,它所需要的內(nèi)存在編譯時分配。
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大小在程序運行的時候才能知道,那數(shù)組的編譯時開辟空間的方式就不能滿足了。也就是說當我們在定義變量時并不知道會使用多少的內(nèi)存,這時候就需要進行動態(tài)內(nèi)存開辟! 上述兩種開辟內(nèi)存方法一個在棧上開辟,一個在堆上開辟。 在C語言<stdlib.h>或<malloc.h>內(nèi)置的庫中有能夠進行動態(tài)內(nèi)存開辟的庫函數(shù)。
??1.2動態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)
??1.2.1malloc
//Allocates memory blocks. void *malloc( size_t size );
參數(shù)size_t size
表示需要開辟的內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。該函數(shù)會返回開辟好內(nèi)存的首地址,如果開辟失敗返回NULL
。
比如使用malloc
函數(shù)開辟擁有10
個整型元素的數(shù)組,那需要開辟的字節(jié)數(shù)為40
字節(jié)。
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { //使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組 int* arr = NULL; int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//為數(shù)組開辟內(nèi)存 if (p == NULL) { printf("內(nèi)存申請失?。n"); exit(-1);//內(nèi)存申請失敗,程序沒有再進行的必要,直接強制結(jié)束程序 } arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組 p = NULL; int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { arr[i] = i + 1; printf("%d ", arr[i]); } return 0; }
因為malloc
函數(shù)的返回值類型為void*
,所以需要將已經(jīng)開辟好的內(nèi)存的首地址強制轉(zhuǎn)換成整型指針類型。
運行結(jié)果:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 22188)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.2.2free
對于動態(tài)內(nèi)存開辟的空間,開辟的地址是在堆上的,使用完了是需要返還給操作系統(tǒng)的,C語言中專門有一個回收動態(tài)開辟內(nèi)存的函數(shù)——free
。當然,程序結(jié)束時,會自動釋放內(nèi)存。
//Deallocates or frees a memory block. void free( void *memblock );
參數(shù)void *memblock
表示動態(tài)開辟內(nèi)存的首地址,注意這個地址只能是動態(tài)開辟內(nèi)存的首地址,其他的地址都不行!如果傳入的地址為NULL
,則這個函數(shù)什么都不會做。 在上面所舉例創(chuàng)建10個整型數(shù)組的程序中,就忽略了動態(tài)內(nèi)存的釋放,存在內(nèi)存泄漏的風險。所以正確完整的程序應該為:
#include <stdio.h> #include <stdlib.h> int main() { //使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組 int* arr = NULL; int* p = (int*)malloc(sizeof(int) * 10);//為數(shù)組開辟內(nèi)存 if (p == NULL) { printf("內(nèi)存申請失??!\n"); exit(-1);//內(nèi)存申請失敗,程序沒有再進行的必要,直接強制結(jié)束程序 } arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組 p = NULL; int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { arr[i] = i + 1; printf("%d ", arr[i]); } free(arr);//有借有還,再借不難 arr = NULL;//好習慣:內(nèi)存釋放后,將指針變量置空 return 0; }
運行結(jié)果:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 23232)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
內(nèi)存泄漏的危害: 如果動態(tài)內(nèi)存已經(jīng)使用完了,但不還給操作系統(tǒng),也就是沒有釋放內(nèi)存,就有可能造成內(nèi)存泄漏的風險。對于其危害,舉個栗子,如果在服務器上存在內(nèi)存泄漏,則可能造成服務器崩潰。因為服務器是一直工作的,一旦存在內(nèi)存泄漏,使用完的內(nèi)存不還回去,久而久之,服務器內(nèi)存被占用的越來越多,終有一天由于內(nèi)存不足而造成服務器崩潰。
??1.2.3calloc
該函數(shù)功能與malloc
非常相似,僅僅多了個初始化的功能,就是說在動態(tài)內(nèi)存開辟時,自動將內(nèi)存中的元素初始化為0
。
//Allocates an array in memory with elements initialized to 0. void *calloc( size_t num, size_t size );
參數(shù)size_t num
表示元素個數(shù),size_t size
表示每個元素所占字節(jié)數(shù)大小。
int main() { //使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組 int* arr = NULL; int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//為數(shù)組開辟內(nèi)存 if (p == NULL) { printf("內(nèi)存申請失敗!\n"); exit(-1);//內(nèi)存申請失敗,程序沒有再進行的必要,直接強制結(jié)束程序 } arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組 p = NULL; int i = 0; for (i = 0; i < 10; i++) { printf("%d ", arr[i]); } free(arr);//有借有還,再借不難 arr = NULL;//好習慣:內(nèi)存釋放后,將指針變量置空 return 0; }
運行結(jié)果:
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 29776)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.2.4realloc
該函數(shù)能夠在保留原數(shù)據(jù)的情況下,對動態(tài)申請內(nèi)存的大小進行調(diào)整,通常用來對數(shù)組或者鏈表等數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行擴容。該函數(shù)在調(diào)整動態(tài)內(nèi)存大小時有以下兩個細節(jié):
- 如果原申請內(nèi)存地址后連續(xù)空間大于調(diào)整空間大小,則在原地址進行內(nèi)存調(diào)整。
- 如果原申請內(nèi)存地址后連續(xù)空間小于調(diào)整空間大小,則在其他內(nèi)存足夠地方進行調(diào)整,并將原數(shù)據(jù)拷貝到新內(nèi)存和釋放原來申請內(nèi)存的空間。
如果調(diào)整失敗,返回NULL
,調(diào)整成功返回新申請內(nèi)存的首地址。
//Reallocate memory blocks. void *realloc( void *memblock, size_t size );
參數(shù) void *memblock
表示需要調(diào)整空間的首地址(必須為動態(tài)開辟的內(nèi)存空間),參數(shù)size_t size
表示調(diào)整后內(nèi)存的字節(jié)數(shù)。
將動態(tài)申請的整型數(shù)組元素個數(shù)調(diào)整至20。
int main() { //使用malloc開辟一個含10個的整型元素數(shù)組 int* arr = NULL; int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//為數(shù)組開辟內(nèi)存 if (p == NULL) { printf("內(nèi)存申請失敗!\n"); exit(-1);//內(nèi)存申請失敗,程序沒有再進行的必要,直接強制結(jié)束程序 } arr = p;//確認內(nèi)存開辟成功再將此內(nèi)存交給數(shù)組 p = NULL; //增加數(shù)組元素個數(shù)為20 p = (int*)realloc(arr, sizeof(int) * 20); if (p == NULL) { printf("內(nèi)存調(diào)整失??!\n"); exit(-1);//內(nèi)存調(diào)整失敗,程序沒有再進行的必要,直接強制結(jié)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);//有借有還,再借不難 arr = NULL;//好習慣:內(nèi)存釋放后,將指針變量置空 return 0; }
運行結(jié)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 (進程 7520)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??1.3動態(tài)內(nèi)存管理函數(shù)易錯點
??1.3.1對NULL指針的解引用操作
錯誤示范:
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); }
改正:
void test() { int* p = (int*)malloc(INT_MAX / 4); if (p == NULL) { printf("內(nèi)存申請失??!\n"); exit(-1);//強制結(jié)束程序 } *p = 20;//如果p的值是NULL,就會有問題 free(p); }
??1.3.2對動態(tài)開辟空間的越界訪問
錯誤示范:
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;//當i是10的時候越界訪問 } 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;//當i是10的時候越界訪問 } free(p); }
??1.3.3對非動態(tài)開辟內(nèi)存使用free釋放
錯誤示范:
void test() { int a = 10; int* p = &a; free(p);//對非動態(tài)開辟的內(nèi)存釋放是錯誤的,程序會崩潰 }
改正:
void test() { int* a = (int*)malloc(sizeof(int)); if (a == NULL) { exit(-1);//強制結(jié)束程序 } *a = 10; int* p = a; free(p);//對非動態(tài)開辟的內(nèi)存釋放是錯誤的,程序會崩潰 p = NULL; a = NULL; }
??1.3.4使用free釋放一塊動態(tài)開辟內(nèi)存的一部分
錯誤示范:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); p++; free(p);//p不再指向動態(tài)內(nèi)存的起始位置,程序崩潰 }
改正:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); free(p);//p不再指向動態(tài)內(nèi)存的起始位置,程序崩潰 p = NULL; }
??1.3.5對同一塊動態(tài)內(nèi)存多次釋放
錯誤示范:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); free(p); free(p);//重復釋放,程序崩潰 }
改正:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); free(p); }
??1.3.6動態(tài)開辟內(nèi)存忘記釋放(內(nèi)存泄漏)
錯誤示范:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); if (NULL != p) { *p = 20; } } int main() { test(); while (1);//內(nèi)存忘記示范,內(nèi)存泄漏,程序崩潰 }
改正:
void test() { int* p = (int*)malloc(100); if (NULL != p) { *p = 20; } free(p); p = NULL;//好習慣 } int main() { test(); while (1); }
??2.C語言動態(tài)內(nèi)存管理庫函數(shù)應用
??2.1常見相關(guān)筆試題
//1.Test運行結(jié)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運行結(jié)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運行結(jié)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運行結(jié)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); } }
題1:函數(shù)GetMemory
的形參為char* p
,p
為該函數(shù)的局部變量,作用域在函數(shù)內(nèi)部,出了函數(shù)該變量就被銷毀了,并且沒有對申請好的內(nèi)存進行釋放。所以參數(shù)str
傳入函數(shù)GetMemory
后,其值不會改變,仍為NULL
,空地址是不能被用戶訪問修改的,因此程序崩潰。
題2:p
為GetMemory
函數(shù)內(nèi)部的局部變量,該函數(shù)運行完后,其棧幀被銷毀,在函數(shù)外得到返回的地址并訪問屬于非法訪問,打印該地址的字符串,如果該空間沒有被覆蓋,能夠打印hello world
,否則打印隨機值。調(diào)用printf
函數(shù)是有可能覆蓋該地址的,所以極大概率打印的是隨機值。
運行結(jié)果:
燙燙燙燙燙燙燙燙8
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 23592)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
題3:該程序雖然會輸出hello
,但是是存在內(nèi)存泄漏的,因為最后并沒有釋放申請的內(nèi)存。
hello
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 20096)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
應該改為:
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; }
題4:輸出world
,將一個動態(tài)申請的空間釋放,傳入的指針變量是不會置空的,會成為一個野指針,所以我們要養(yǎng)成一個好習慣:釋放一個空間,應將其傳入的指針置空!
world
D:\gtee\C-learning-code-and-project\test_928\Debug\test_928.exe (進程 13356)已退出,代碼為 0。
按任意鍵關(guān)閉此窗口. . .
??2.2C/C++語言中的內(nèi)存開辟
C/C++程序內(nèi)存分配的幾個區(qū)域:
- 棧區(qū)(stack):在執(zhí)行函數(shù)時,函數(shù)內(nèi)局部變量的存儲單元都可以在棧上創(chuàng)建,函數(shù)執(zhí)行結(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)而分配的局部變量、函數(shù)參數(shù)、返回數(shù)據(jù)、返回地址等。
- 堆區(qū)(heap):一般由程序員分配釋放, 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。
- 數(shù)據(jù)段(靜態(tài)區(qū))(static)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。
- 代碼段:存放函數(shù)體(類成員函數(shù)和全局函數(shù))的二進制代碼。
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(靜態(tài)區(qū)),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 所以生命周期變長。
??2.3柔性數(shù)組
??2.3.1柔性數(shù)組特點與使用
也許你從來沒有聽說過柔性數(shù)組(flexible array)這個概念,但是它確實是存在的。 C99 中,結(jié)構(gòu)中的最后一個元素允許是未知大小的數(shù)組,這就叫做『柔性數(shù)組』成員。
typedef struct st_type { int i; int a[0];//柔性數(shù)組成員 }type_a;
有些編譯器會報錯無法編譯可以改成:
typedef struct st_type { int i; int a[];//柔性數(shù)組成員 }type_a;
柔性數(shù)組的特點:
- 結(jié)構(gòu)中的柔性數(shù)組成員前面必須至少一個其他成員。
- sizeof 返回的這種結(jié)構(gòu)大小不包括柔性數(shù)組的內(nèi)存。
- 包含柔性數(shù)組成員的結(jié)構(gòu)用malloc ()函數(shù)進行內(nèi)存的動態(tài)分配,并且分配的內(nèi)存應該大于結(jié)構(gòu)的大小,以適應柔性數(shù)組的預期大小。
typedef struct st_type { int i; int a[0];//柔性數(shù)組成員 }type_a; int main() { printf("%d\n", sizeof(type_a));//輸出的是4 return 0; }
柔性數(shù)組的使用:
int main() { int i = 0; type_a* p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a) + 100 * sizeof(int)); //業(yè)務需求代碼段 p->i = 100; for (i = 0; i < 100; i++) { p->a[i] = i; } free(p); return 0; }
??2.3.2柔性數(shù)組的優(yōu)點
不使用柔性數(shù)組也是可以實現(xiàn)同樣的需求的:
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)); //業(yè)務需求代碼段 int i = 0; 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; }
但是使用柔性數(shù)組的優(yōu)勢是其空間使用是連續(xù)的,而不使用柔性數(shù)組,其空間使用相比于柔性數(shù)組是散落的。
柔性數(shù)組的優(yōu)點:
第一個好處是:方便內(nèi)存釋放如果我們的代碼是在一個給別人用的函數(shù)中,你在里面做了二次內(nèi)存分配,并把整個結(jié)構(gòu)體返回給用戶。用戶調(diào)用free
可以釋放結(jié)構(gòu)體,但是用戶并不知道這個結(jié)構(gòu)體內(nèi)的成員也需要free
,所以你不能指望用戶來發(fā)現(xiàn)這個事。所以,如果我們把結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存以及其成員要的內(nèi)存一次性分配好了,并返回給用戶一個結(jié)構(gòu)體指針,用戶做一次free
就可以把所有的內(nèi)存也給釋放掉。
第二個好處是:這樣有利于訪問速度. 連續(xù)的內(nèi)存有益于提高訪問速度,也有益于減少內(nèi)存碎片。(提升不是特別明顯)
以上就是C語言動態(tài)內(nèi)存管理malloc柔性數(shù)組示例詳解的詳細內(nèi)容,更多關(guān)于C語言動態(tài)內(nèi)存malloc柔性數(shù)組的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
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