【C】动态内存管理 malloc calloc relloc free 函数详解

简介: 动态内存管理 malloc calloc relloc free 函数详解

【C】动态内存管理

文章目录


本章重点

  • 为什么存在动态内存分配
  • 动态内存函数的介绍
  • malloc
  • free
  • calloc
  • realloc
  • 常见的动态内存错误

1.为什么存在动态内存分配

我们已经掌握的内存开辟方式有:

#include<stdio.h>
int main()
{
  int num = 10;//向内存申请了4个字节的空间
  int arr[10];//向内存申请了40个字节的空间
  return 0;
}

这种内存开辟,如果开辟多了,那么内存空间就会浪费

但是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存开辟了。


2.动态内存函数的介绍

2.1 malloc和free

malloc函数特点

C语言提供了一个动态内存开辟的函数malloc

void* malloc (size_t size);

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的行为是标准未定义的,取决于编译器。

malloc返回值的检查

#include<stdlib.h>//malloc
#include<errno.h>//errno
#include<string.h>//streror
int main()
{
    // 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。
  //存放10个字节,用指针来维护,而如果是void类型,向后移动几个字节是不能确定的,所以一般不这样写,
    //通常要进行强制类型转换,这样如果对指针进行++,或者解引用操作,就知道指针向后移动几个字节和取几个字节的空间。
  int* p =(int*)malloc(INT_MAX);// INT_MAX是有符号整数最大值
    //检查
  if (p == NULL)//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。
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));/*打印错误信息*/
    return 1;
  }

运行结果:

最好还是将开辟的空间释放掉,这时我们就要搭配下面这个函数进行空间的释放:

空间释放函数free

C语言提供了另外一个函数free,专门是用来做动态内存的释放和回收的,函数原型如下:

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都声明在stdlib.h头文件中。

malloc以及后面的calloc 必须和free成对出现,不然会造成内存泄露

示例:

#include<stdlib.h>//malloc
#include<errno.h>//errno
#include<string.h>//streror
int main()
{
  //void* p = malloc(40);//向内存申请了40个空间
  int* p = (int*)malloc(40);
  int* ptr = p;//若不进行此步,后面的free(p);是错误的,因为p本来指向的是空间的起始位置,但是前面的循环使p指向了后半部分空间,使空间不能完全释放
  //检查
  if (p == NULL)//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。
  {
    printf("%s\n", strerror(errno));/*打印错误信息*/
    return 1;
  }
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    *ptr = i;
    ptr++;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;//为了避免通过p非法访问已经释放的空间,这里将p置为空指针
  return 0;
}

进行调试,监视内存,我们可以清楚地看到free释放内存空间,并将p置为空的效果:

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。原型如下:

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。
  • 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。
  • malloc以及calloc 必须和free成对出现,不然会造成内存泄露

示例:

#include<stdio.h>//perror
#include<stdlib.h>//calloc
//calloc函数
int main()
{
  //40个字节-10个整型
  //malloc(40)
  int* p = (int*)calloc(10, sizeof(int));
  //检查
  if (p == NULL)
  {
    perror("calloc");
    return 1;
  }
  int i = 0;
  for (i = 1; i < 10; i++)
  {
    *(p + 1) = i;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

调试结果如图,

可以理解为calloc = malloc+(memset将开辟的空间初始化为0)。

如果我们对申请的内存空间的内容要求初始化,那么可以很方便的使用calloc函数来完成任务。


2.3 realloc

  • realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
  • 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。
    函数原型如下:
void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr是要调整的内存地址
  • size 调整之后新大小
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • 这个函数调整原内存空间大小的基础上,还会将原来内存中的数据移动到新的空间。
  • realloc在调整内存空间的是存在两种情况:
  • 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

情况1

当是情况1 的时候,要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间,原来空间的数据不发生变化。

情况2

当是情况2 的时候,原有空间之后没有足够多的空间时,扩展的方法是: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址。

由于上述的两种情况,realloc函数的使用就要注意一些。

示例:

#include<stdlib.h>//realloc
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  //检查
  if (p == NULL)
    return 1;
  //使用
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
  *(p + i) = i;
  }
  //
  for (i = 0; i < 10; i++)
  {
    printf("%d ", *(p + i));
  }
  //增加空间
  int* ptr = (int*)realloc(p, 80);//将p开辟的空间改为80个字节
  //当realloc开辟失败的时候,返回的是NULL,所以也需要检查
  if (ptr != NULL)
  {
    p = ptr;//为了方便管理,下面还使用p,引入ptr
    ptr = NULL;
  }
  //使用
  for (i = 10; i < 20; i++)
  {
    *(p+i) = i;
  }
  //释放
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

realloc(NULL, 40);等价于malloc(40);


3.常见的动态内存错误

3.1 对NULL指针的解引用操作

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc
int main()
{
    int *p = (int *)malloc(INT_MAX);//当内存开辟失败时,malloc会返回NULL
    *p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
    free(p);
}

改进:

#include<stdio.h>//perror
#include<stdlib.h>//malloc
#include<limits.h>//INT_MAX
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(INT_MAX);//当内存开辟失败时,malloc会返回NULL
    if (p == NULL)
    {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    else
    {
        *p = 20;//如果p的值是NULL,就会有问题
    }
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

3.2 动态开辟空间的越界访问

// 越界访问
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>//malloc
int main()
{
    int* p = (int*)malloc(20);//开辟20个字节的空间,相当于5个int
    if (p == NULL)
        return 1;
    //使用
    int i = 0;
    for (i = 0; i < 20; i++)//越界访问了第5个int元素(下标为4)后面的空间
    {
        *(p + i) = i;
        //p[i] = =i;
    }
    for (i = 0; i < 20; i++)
    {
        printf("%d ", p[i]);
    }
    //释放
    free(p);
    p = NULL;
    return 0;
}

这里虽然代码可以运行,但是会有错误警告

改进:

直接将for循环中的20改为5即可


3.3 对非动态开辟内存使用free释放

int main()
{
  int num = 10;//num是非动态开辟内存
  int* p = &num;
  //……
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

上面代码对非动态开辟内存使用free释放,这时编译器就会报错:


3.4 使用free释放一块动态开辟内存的一部分

//使用free释放一块动态开辟内存的一部分
int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
    return 1;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    //*(p + i) = i;
    *p = i;
    p++;//当循环了五次后,p指向了中间的元素,而不是起始位置
  }
  //在释放时p指向的不再是动态内存开辟的起始位置
  free(p);
  p = NULL;
  return 0;
}

这时编译器会报错:

动态内存空间必须从起始位置释放,不然是释放不了的。

3.5 对同一块动态内存多次释放

int main()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  if (p == NULL)
    return 1;
  int i = 0;
  for (i = 0; i < 5; i++)
  {
    *(p + i) = i;
  }
  //释放
  free(p);
  ///p = NULL;
  free(p);//第二次释放同一块内存空间,err,
          //但如果前面的p置为空,程序可以正常运行
  return 0;
}

多次释放,而且不置空报错:


3.6 动态开辟内存忘记释放(内存泄漏)

//函数会返回动态开辟空间的地址,记得在使用之后返回
int* get_memory()
{
  int* p = (int*)malloc(40);
  //……
  return p;
}
int main()
{
  int* ptr = get_memory();
  //使用
  //释放,调用时很可能忘记释放
  free(ptr);
  ptr = NULL;
  return 0;
}

忘记释放不再使用的动态开辟的空间会造成内存泄漏。

切记:

动态开辟的空间一定要释放,并且正确释放。


4. C/C++程序的内存开辟

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。

有了这幅图,我们就可以更好的理解之前介绍的static关键字修饰局部变量的例子了

实际上普通的局部变量是在栈区分配空间的,栈区的特点是在上面创建的变量出了作用域就销毁。
但是被static修饰的变量存放在数据段(静态区),数据段的特点是在上面创建的变量,直到程序结束才销毁
所以生命周期变长。

结语:

这里我们关于动态内存管理的内容就介绍完了,
文章中某些内容我们之前有介绍,所以只是一笔带过,还请谅解。
希望以上内容对大家有所帮助👀,如有不足望指出🙏


加油!!

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