动态内存管理

Posted 2021-12-04 任我驰骋°

动态内存管理

• 前言
• 一、动态内存函数的介绍
• 二、常见动态内存错误
• • 1.对NULL指针的解引用操作
  • 2.对动态开辟空间的越界访问
  • 3.对非动态开辟内存使用free释放
  • 4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分
  • 5.对同一块动态内存多次释放
  • 6.动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）
• 三、几个经典的笔试题
• 四、C/C++程序的内存开辟
• 五、柔性数组

前言

为什么存在动态分配?
之前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存开辟了。

一、动态内存函数的介绍

malloc和free

C语言提供了一个动态内存开辟的函数：

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的行为是标准是未定义的，取决于编译器。
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。

calloc

C语言还提供了一个函数叫 calloc ， calloc 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。

relloc
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地址。 由于上述的两种情况，realloc函数的使用就要注意一些。

二、常见动态内存错误

1.对NULL指针的解引用操作

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(INT_MAX/4);
 *p = 20;//如果p的值是NULL，就会有问题
 free(p);
}

2.对动态开辟空间的越界访问

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;//当i是10的时候越界访问
 }
 free(p);
}

3.对非动态开辟内存使用free释放

void test()
{
 int a = 10;
 int *p = &a;
 free(p);//ok?
}

4.使用free释放一块动态开辟内存的一部分

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 p++;
 free(p);//p不再指向动态内存的起始位置
}

5.对同一块动态内存多次释放

void test()
{
 int *p = (int *)malloc(100);
 free(p);
 free(p);//重复释放
}

6.动态开辟内存忘记释放（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。
切记： 动态开辟的空间一定要释放，并且正确释放 。

三、几个经典的笔试题

题目1：

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

分析：程序崩溃。因为GetMemory 并不能传递动态内存，Test 函数中的 str 一直都是 NULL。strcpy(str, “hello world”);将使程序崩溃。

执行GetMemory之后，p得到新分配的空间地址，str依然为NULL；
没有对内存进行回收free()，局部变量存在栈区，malloc()在堆区；局部变量在函数执行完毕之后回收栈空间

题目2：

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

分析：可能是乱码。因为GetMemory 返回的是指向“栈内存”的指针，该指针的地址不是 NULL，但其原来的内容已经被清除，新内容不可知。

打印内容未知；p指向“栈内存”；调用GetMemory()之后栈内存释放，但str仍指向栈区地址，造成内存泄露，该栈区可能用作其他用途，存储其他内容。因此打印内容未知。

题目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);
}

分析：
（1）能够输出hello
（2）内存泄漏

将动态分配的内存的指针赋值给str指针；但GetMemory()函数中未检查分配失败的情况；if(*p==NULL){ };

没有对分配的内存进行回收free()；

题目4：

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

篡改动态内存区的内容，后果难以预料，非常危险。
因为free(str);之后，str 成为野指针，if(str != NULL)语句不起作用。

应在free(str)之后将str赋值为空 str=NULL;

四、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。

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。

五、柔性数组

也许你从来没有听说过柔性数组（flexible array）这个概念，但是它确实是存在的。 C99 中，结构中的最后一个元素允许是未知大小的数组，这就叫做『柔性数组』成员。

例如：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;

有些编译器会报错无法编译可以改成：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[];//柔性数组成员
}type_a;

柔性数组的特点：

结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

包含柔性数组成员的结构用malloc ()函数进行内存的动态分配，并且分配的内存应该大于结构的大小，以适应柔性数组的预期大小。

例如：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int a[0];//柔性数组成员
}type_a;
printf("%d\\n",sizeof(type_a));

柔性数组使用：

int i = 0;
type_a *p = (type_a*)malloc(sizeof(type_a)+100*sizeof(int));
//业务处理
p->i = 100;
for(i=0; i<100; i++) {
 p->a[i] = i; }
free(p);

柔性数组的优势:

也可以设计为：

typedef struct st_type
{
 int i;
 int *p_a; }type_a;
type_a *p = malloc(sizeof(type_a));
p->i = 100;
p->p_a = (int *)malloc(p->i*sizeof(int));
//业务处理
for(i=0; i<100; i++) {
 p->p_a[i] = i; }
//释放空间
free(p->p_a);
p->p_a = NULL;
free(p);
p = NULL;

上述 代码1 和 代码2 可以完成同样的功能，但是 方法1 的实现有两个好处：

第一个好处是：方便内存释放

如果我们的代码是在一个给别人用的函数中，你在里面做了二次内存分配，并把整个结构体返回给用户。用户调用free可以释放结构体，但是用户并不知道这个结构体内的成员也需要free，所以你不能指望用户来发现这个事。所以，如果我们把结构体的内存以及其成员要的内存一次性分配好了，并返回给用户一个结构体指针，用户做一次free就可以把所有的内存释放掉。

第二个好处是：这样有利于访问速度

连续的内存有益于提高访问速度，也有益于减少内存碎片。（其实，我个人觉得也没多高了，反正你跑不了要用做偏移量的加法来寻址）