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【超详解C语言动态内存管理】


前言

指针、结构体和动态内存管理是后面学习数据结构的基础。正所谓基础不牢,地动山摇,还不快来跟着我的脚步一起学习。

目录

一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数介绍

三、常见的动态内存函数的错误


1、为什么存在动态内存管理

我们已经掌握的内存开辟方式有:

int a=10;//在栈空间开辟四个字节int arr[10]={0};//在栈空间上开辟10个字节连续存放的空间

 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。

但是对于空间的需求,不仅仅是上述的情况,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,这时候就只能试试动态内存开辟了。

我们先了解一下动态内存管理的是哪一块内存呢?

我们知道,内存分为栈区、堆区和静态区

栈区:存放局部变量、函数的形式参数等,只要是这种临时状态的变量,我们一会就不用的,都是在栈区开辟的。

静态区:存放全局变量、静态变量等

堆区:动态内存分配

所以我们动态内存管理的是堆区 。

2.动态内存函数的介绍

C语言中提供了malloc、calloc、realloc这三个函数来进行动态内存开辟。

C语言中还提供了free函数用来做动态内存的释放和回收的。

 2.1 mallocfree

 void* malloc (size_t size);

头文件

size 是要申请的字节数

这个函数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起始指针。
  • 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。
#include #include 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;p++;}return 0;}

 这里p的类型是 int* p是指向malloc申请内存的起始地址,对p进行解引用就拿到了这四个字节,在对p加1就跳过这四个字节,所以这里我们只用循环10次就行了。

如下图所示:

 调试结果:

既然能申请空间那么就能释放空间。

释放空间用free函数 

void free (void* ptr);
头文件

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。
#include #include 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;p++;}free(p);return 0;}

 如果你是这样写的话,那你就错了。因为你的p一直在++,p已经指向后面了,而我们释放的是从起始位置开始向后的空间,所以我们要拿到的是这块空间的起始地址才能释放。

#include #include int main(){//申请空间int* ptr = (int*)malloc(40);int* p = ptr;if (p == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*p = i;p++;}//释放空间free(ptr);ptr = NULL;return 0;}

这里释放空间了之后,一定要将ptr制成NULL,因为你释放完这块空间之后,ptr还是指向这个空间的地址,但是这个空间已经没了,ptr就成了野指针了,所以我们要把ptr=NULL。

注:free是用来释放的必须是动态内存开辟的空间。 

int main(){int p = 10;free(p);}

 这样写的话它是什么都不会发生。

如果不释放会怎么样呢?

 当我们不释放动态申请的内存的时候

  • 如果程序结束,动态申请的内存由操作系统回收
  • 如果程序不结束,动态内存是不会自动回收的,就会形成内存泄露的问题。(内存泄露就相当于这块内存不知道什么原因就被吞掉了,就是说无缘无故内存就变少了)

2.2 calloc 

void* calloc (size_t num, size_t size);
头文件  

  • 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。

举个例子:

#include #include int main(){//申请10个整形空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//calloc申请的空间会被初始化为0return 0;}

调试结果:
 

下面让我们使用一下calloc 

#include #include int main(){//申请10个整形空间int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));//calloc申请的空间会被初始化为0if (p == NULL){perror("calloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(p + i));}free(p);p = NULL;return 0;}

 运行结果:

 2.3 realloc

有时候我们并不能知道我们到底需要多少内存空间,如果空间不够了怎么办,那为了合理的分配
内存,我们就会对内存的大小做灵活的调整。而 realloc 函数正好可以做到对动态开辟内存大小的调整。

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

  • ptr 是要调整的内存的起始地址
  • size 调整之后新大小
  • 返回值为调整之后的内存起始位置

 重点:

#include #include int main(){//申请空间int* ptr = (int*)malloc(40);if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}realloc(ptr, 80);//释放空间free(ptr);ptr = NULL;return 0;}

以上面代码为例 

realloc 扩容有两种情况:

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

如图所示:

 realloc 函数使用

#include #include int main(){//申请空间int* ptr = (int*)malloc(40);if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}int *p=realloc(ptr, 80);if (p!=NULL){ptr = p;}//释放空间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

看代码

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(1000);int i = 0;for (i = 0; i < 250; i++){*(p + i) = i;}free(p);p = NULL;return 0;}

 如果你是向上面这种写法的话,编译器会报一个警告。

警告如下:

 解决办法:对malloc函数的返回值进行一个判NULL处理。

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(1000);if (p == NULL){return 1;}int i = 0;for (i = 0; i < 250; i++){*(p + i) = i;}free(p);p = NULL;return 0;}

3.2 对动态开辟空间的越界访问

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}int i = 0;for (i = 0; i <= 250; i++)//越界访问{*(p + i) = i;}free(p);p = NULL;return 0;}

这里就形成了越界访问。

程序就会出现debug。

 解决办法:自己对循环的范围要有自己的判断,对内存边界经行检查。

3.3 对非动态开辟内存使用free释放

#include #include int main(){int a = 10;int* p = &a;free(p);p = NULL;return 0;}

这里就是对非动态开辟内存使用free释放,这里是不用我们自己回收这块空间的,编译器自动会回收。

解决办法 :不要随便乱用free释放空间,free只能释放动态开辟的空间。

3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}//使用int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){*p = i;p++;}free(p);p = NULL;return 0;}

 这里p没有指向它的起始位置,就释放了这块空间,导致程序出现debug。

正确写法:

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

解决办法:我们必须要让指针指向动态开辟的内存空间的起始地址才能释放。

 3.5 对同一块动态内存多次释放

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}free(p);free(p);    p=NULL;return 0;}

可不能这样对同一块动态内存多次释放,否则又又又会出现debug。

解决办法:free只用一次就够了。 

3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

#include #include int main(){int* p = (int*)malloc(100);if (p == NULL){return 1;}return 0;}

这里就是忘记释放不再使用的动态开辟的空间就造成了内存泄漏。
解决办法:切记:动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放。
以上讲的都是错误的写法,这里列举出来是为了以后写代码的时候能避免这些错误,可不要把错误的写法给学进去了,那我可就太冤了。

今天就分享到这了。

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