在今天的讲解中,我将为大家带来动态内存的知识。
为什么要存在动态内存分配
int val = 20;
//在栈空间开辟四个字节的空间
char arr[10] = {0};
//在栈空间开辟十个字节的连续空间
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.数组在声明的时候,必须制定数组的长度,它所需要的内存在编译时分配。
但是,有时候我们需要的空间大小是在程序运行之后才知道,并且在内存空间不足时,还要进行追加空间,那么我们就要使用动态开辟了。
动态内存函数的介绍
1.malloc函数和free函数
这个函数是向内存申请一块连续可用的空间,并返回指向这块空间的起始位置的指针。
在msdn查询可以得知,malloc函数的声明:void* malloc(size_t size)。
1.当malloc函数成功开辟空间时,返回一个指向这块空间的起始地址的指针
2.当malloc函数开辟空间失败时,返回NULL指针,因此malloc的返回值一定要做检查
3.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。
4.如果参数size为0,malloc的行为是标准未定义的,取决于编辑器。
同样在msdn查询可以得知,free函数的声明:void free(void* memblock )。
free函数是用来释放动态开辟的内存
1.如果参数memblock指向的空间不是动态开辟的,那free函数的行为是未定义的。
2.如果参数memblock是NULL指针,则free函数什么都不做。
下面,我来举一个例子。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
//申请空间
int* p = (int*)malloc(40); //开辟40个字节的空间,malloc的返回类型是void*类型 ,所以要强制转换为int*类型
if(p == NULL) //检查空间是否正常开辟,如果开辟失败直接结束程序
{
printf("%s\n",strerror(errno));
return 1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ",p[i]);
}
printf("\n");
//释放空间
free(p);
p = NULL; //接受动态开辟的初始地址的指针要置为空指针
return 0;
}
运行结果如下:
在阅读了上面例子中的代码,我们便对于动态开辟空间的步骤有了基本的了解,基本确定了三个步骤,先申请空间,再使用空间,最后释放空间。
另外需要注意的是,malloc函数与free函数是成对存在的,也就是有malloc函数开辟空间,就要有free函数释放空间。
2.calloc函数和free函数
依然在msdn查询可以得知,calloc函数的声明是:void* calloc(size_t num,size_t size);
num:开辟元素的个数
size:每个元素的大小
该函数的功能是开辟num个大小为size的元素一块空间。
开辟空间失败,返回NULL
开辟空间成功,返回指向这个空间的起始位置
free函数我在前面已经有所介绍。
接下来,我来举一个calloc函数的使用例子。
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
//开辟空间
int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int)); //开辟10个大小为sizeof(int)的空间,calloc返回类型是void*,所以要强制类型转换为int*
if(p == NULL) //检查空间是否开辟成功,失败直接结束程序
{
printf("%s\n",strerror(errno));
return 1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ",p[i]);
}
printf("\n");
//释放空间
free(p);
p = NULL; //指向动态开辟空间的初始地址的指针必须置为NULL
return 0;
}
运行结果如下:
由上面的例子,我们可以发现calloc函数的使用步骤与malloc函数是差不多的,依然是开辟空间、使用空间、释放空间的三个步骤,唯一有所不同的就是参数的不同,所以以后在使用malloc和calloc函数时,要注意它们的参数类型,不要混淆。
在使用calloc函数时,我们一样也要使用free函数释放空间,如果未能及时的释放空间,将会导致堆区的空间过度消耗。
3.free函数不起作用导致的错误
在编写程序的代码时,我们即使在动态开辟空间后加上free函数释放内存空间,依然可能造成空间未能释放的错误。
如下:
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
int test()
{
int i = 0;
//开辟空间
int* p = (int*)calloc(10,sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return -1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
i++;
}
if(i == 10)
{
return 0;
}
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 1;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
如上面的代码中,我已经加上了free函数去释放动态开辟的空间,但是这个程序依然是没有释放空间的。
因为前面有个if判断语句,如果成立,test函数的调用直接结束,自然就不会实行下面的free函数。
我们在动态开辟内存时,要注意的是需要使用free函数并且保证free函数能够被调用,才能让我们的程序不会产生错误。
4.malloc函数和calloc函数的区别
malloc函数与calloc函数除了参数个数和参数类型的不同外,还有一个容易忽略的就是malloc函数在开辟空间时,不会把空间里的内容进行初始化,而calloc函数在开辟空间时,会把空间的每个字节初始化为全0。
我举个例子。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
//开辟空间
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ",p[i]);
}
printf("\n");
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
我通过调试,观察指针p指向的空间的内容是什么。
由上面调试的窗口可以发现,当我用malloc函数开辟空间时,指针p指向的空间内容是随机值。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
//开辟空间
int* p = (int*)calloc(10 , sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
printf("%d ",p[i]);
}
printf("\n");
//释放空间
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
由上面的调试的监视窗口可以发现,当我使用calloc函数开辟空间时,指针p指向的空间内容会被改为0。
总结:calloc函数与malloc函数除了参数不同以外,calloc还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,而malloc不会进行初始化。
5.realloc函数
1.realloc函数的出现让动态内存管理更加灵活。
2.有时候我们会发现过去申请的空间太大或者太小,需要对内存大小做灵活的调整。那malloc函数就可以对动态开辟的内存进行大小的调整。
由msdn查询可以得知,realloc函数的声明:void* realloc(void* memblock,size_t size)。
1.memblock就是要调整的内存地址
2.size是调整之后的新大小
3.返回值为调整之后的内存起始位置
4.realloc函数在调整内存空间存在两种情况。
情况1:原有空间之后有足够大的空间
realloc在判断是情况1之后,要扩展内存就直接在原有内存之后直接追加空间,原来的空间的数据不发生变化。
情况2:原有空间之后没有足够大的空间
realloc在判断是情况2之后,原有空间之后没有足够多的空间,扩展的方法是:在堆空间上寻找另外一个合适大小的连续空间来使用,并且在追加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空间。这样函数返回的是一个新的内存地址(旧的空间要释放掉)。
接下来,我举一个realloc函数的使用例子。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
#include<stdlib.h>
void print(int* p,int begin,int end)
{
int i = 0;
for(i = begin;i < end;i++)
{
printf("%d ",p[i]);
}
printf("\n");
}
int main()
{
int i = 0;
int* ptr = NULL;
//开辟空间
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
//使用空间
for(i = 0;i < 10;i++)
{
p[i] = i;
}
print(p,0,10);
//追加空间
ptr = (int*)realloc(p,20 * sizeof(int));
if(ptr == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
p = ptr;
for(i = 10;i < 20;i++)
{
p[i] = i;
}
print(p,10,20);
//释放空间
free(p);
p = NULL;
ptr = NULL;
return 0;
}
运行结果如下:
由上面的代码可以得知,realloc函数的使用依然是开辟空间、使用空间、释放空间的三个步骤,但是需要注意的是realloc函数的前面如果有开辟空间的话,不用提前释放,等到程序最后与realloc新开辟的空间一起释放即可。
确定调整空间时是哪一种情况
我还是在上面的代码下进行调试,观察是哪一种情况。
观察(p)和(p,20)的地址(注意观察(p,20)的原因是realloc函数追加后新增加的内存的其中一个字节),如果相等,证明是情况1,如果不相等,证明是情况2。
由上面的监视窗口截图可以得知,这次realloc函数调整空间是情况1。
在空指针处开辟空间
int* p = (int*)realloc(NULL,40);//等价于malloc(40);
这一串代码是没多大意义的,建议不要写这样的代码,但也要知道的这串代码的作用。
常见的动态内存错误
1.对NULL的指针解引用操作
如下:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(4 * sizeof(int)); //错误代码的例子
*p = 5;
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
在上面的代码中存在着错误,这个错误大家能不能一眼看出来呢?答案是:没有检查malloc函数是否成功开辟空间,因为在开辟空间失败时,malloc函数会返回NULL,对NULL进行赋值本身是一种错误。
改正后的代码:
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<string.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int* p = (int*)malloc(4 * sizeof(int)); //代码改正后的样子
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
else
{
*p = 5;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
2.对动态开辟空间的越界访问
例如:
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(20); //错误代码展示
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
for(i = 0;i < 20;i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
越界访问是一个比较危险的操作,可能造成十分严重的后果,如上面的代码运行起来,程序直接崩溃。上面的代码中,是怎么造成越界访问的呢?观察可得,malloc函数开辟20个字节的空间,也就是5个整形的内存空间,而for循环中却用到了20个整形内存的空间,也就是80个字节,导致了越界访问。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0;
int* p = (int*)malloc(80); //改进后的代码展示
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
for(i = 0;i < 20;i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
将malloc函数开辟的空间改为80个字节后,程序就不会越界访问了。
3.对非动态开辟的内存使用free函数
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int num = 10; //错误代码展示
int* p = #
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
对非动态开辟的内存使用free函数进行释放,程序会直接崩溃。
4.使用free释放动态开辟内存的一部分
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0; //错误代码展示
int* p = (int*)malloc(40);
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
for(i = 0;i< 5;i++)
{
*p = i;
p++;
}
free(p);
p = NULL;
return 0;
}
该程序运行的过程中会直接崩溃,因为free函数是一次性释放所有动态开辟的空间的,但是在上面代码的for循环里,指向动态开辟空间的起始地址的指针一直在向后走,最后指向了动态开辟的空间的中间位置,那么free函数释放指针p指向的空间时,只是释放动态开辟空间的后半部分,没有一次性释放所有动态开辟的空间,造成了错误。
5.对同一块动态开辟的空间多次释放
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0; //错误代码展示
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
for(i=0;i<10;i++)
{
p[i] = i;
}
free(p);
free(p);
return 0;
}
如上面的代码中,对p指向的动态开辟的空间进行了两次释放,造成了程序的错误,使程序崩溃。
在前面,我已经讲过free函数遇到NULL是不会有任何操作的。如果在上面的代码中,我在第一个free函数后面将p指针置为NULL,那么即使在后面不小心又使用一次free函数,也不造成程序崩溃。
所以,当我们在free函数后,一定要将指针置为空指针,既能防止野指针的产生,也能防止再次使用free函数带来程序崩溃。
6.动态开辟的内存忘记释放
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
#include<errno.h>
int main()
{
int i = 0; //错误代码展示
int* p = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
if(p == NULL)
{
strerror(errno);
return 1;
}
for(i=0;i<10;i++)
{
p[i] = i;
}
return 0;
}
如上面的代码中,动态开辟了内存,却在程序结束时,没有将该内存释放掉。
忘记释放掉不再使用的动态开辟的空间,会造成内存的泄露。
经典笔试题讲解
在下面的几道笔试题中,分析错误的原因。
1.
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char* p)
{
p = (char*)malloc(30);
}
void test()
{
char* str = NULL;
GetMemory(str);
strcpy(str,"hello world");
printf(str);
}
int main()
{
test();
return 0;
}
指针p指向的动态开辟的空间的地址没有返还给指针str,指针str是空指针
strcpy函数往空指针拷贝东西,造成程序的崩溃
动态开辟的p没有释放空间。
动态开辟空间时,并没有检验是否开辟成功
改正如下:
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p)
{
*p = (char*)malloc(30);
if(*p == NULL) //检查是否开辟成功
{
strerror(errno);
exit(1);
}
}
void test()
{
char* str = NULL;
GetMemory(&str); //传地址,让GetMemoey函数将str修改为动态开辟空间的初始地址
strcpy(str,"hello world");
printf(str);
free(str); //释放空间
str = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
经过改动,上面的代码就满足了我们的要求。
2.
#include<stdio.h>
char* GetMemory()
{
char p[] = "hello world";
return p;
}
int main()
{
char* str = NULL;
str = GetMemory();
printf(str);
return 0;
}
变量p是局部变量,在GetMemory函数调用结束后,变量p的空间就还给了操作系统,而str仍然接受了变量p的起始地址,此时str是一个野指针,打印野指针的内容,结果是乱码。
总结:在传参的过程中,要注意是传值还是传地址,传地址会因为函数的调用完,空间释放造成野指针的使用,而传值并不会受空间释放的影响。
3.
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p,int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
if(*p == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
}
int main()
{
char* str = NULL; //错误代码展示
GetMemory(&str,100);
strcpy(str,"hello");
printf(str);
return 0;
}
在不再使用该动态开辟的空间时,没有对该空间进行释放。
改正如下:
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void GetMemory(char** p,int num)
{
*p = (char*)malloc(num);
if(*p == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
}
int main()
{
char* str = NULL; //改正代码展示
GetMemory(&str,100);
strcpy(str,"hello");
printf(str);
free(str);
str = NULL;
return 0;
}
4.
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void test()
{
char* str = (char*)malloc(100);
if(str == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
strcpy(str,"hello");
free(str); //str指向的动态开辟的空间已经被释放,str为野指针
if(str != NULL)
{
strcpy(str,"world");
printf(str);
}
}
int main()
{
test(); //错误代码展示
return 0;
}
在上面的代码中,str指向的动态开辟的空间已经被释放掉了,str变成了空指针,而后面对野指针str进行写入,导致程序崩溃。
如果现在有人拷贝上面的代码到编辑器去运行,可能出现不会报错的情况,比如vs2010就不会报错,这就是编辑器的检查存在的小缺点了。
我们在改进代码的时候,只需要在free函数的后面将str置为NULL,就可以了。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
void test()
{
char* str = (char*)malloc(100);
if(str == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
strcpy(str,"hello");
free(str); //释放空间
str = NULL; //释放空间后将str置为NULL
if(str != NULL)
{
strcpy(str,"world");
printf(str);
}
}
int main()
{
test();
return 0;
}
如上面的代码,在释放完str指向的动态开辟的空间后,将str置为NULL。
c/c++程序的内存开辟
1.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。栈区主要存放着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(操作系统)回收。分配方式类似于链表。
3.数据段(静态区)(static):存放着全局变量、静态数据,程序结束后由系统释放。
4.代码段:存放函数体(类成员函数和全局数据)的二进制代码。
2.对于static关键词修饰局部变量的理解
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,直到程序结束时才销毁,所以生命周期变长。
3.变量所属区域分析
在内存当中,被分为几个区域,如下图:
接下来,我来创建几个变量,并且分析这些变量分别在哪里开辟空间。
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
int globalvar = 1;
static int StaticGlobalvar = 1;
void test()
{
static int StaticVar = 1;
int localVar = 1;
char num1[10] = {1,2,3,4};
char num2[] = "abcd";
char* p = "abcd";
int* ptr1 = (int*)malloc(sizeof(int) * 4);
int* ptr2 = (int*)calloc(4,sizeof(int));
int* ptr3 = (int*)realloc(ptr2,sizeof(int)*8);
free(ptr1);
ptr1 = NULL;
//free(ptr2);这里不能释放空间,等到释放ptr3时会一起释放,后面图片里的代码麻烦自行改正
ptr2 = NULL;
free(ptr3);
ptr3 = NULL;
}
int main()
{
test();
return 0;
}
数据段,也就是静态区存储着全局变量、静态全局变量、静态局部变量。
所以图片中三个变量(即橙色方框)都在数据段开辟空间。
栈区,存放着局部变量、局部数组、指针变量。
所以,图中三种变量(即蓝色方框)都在栈区开辟空间。
动态开辟的空间是在堆区上进行的。
常量字符串在代码段存储。
柔性数组
柔性数组是什么
C99中,结构体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)的成员。
注意是在C99的标准中,但是大部分的编辑器并不支持C99的标准,所以这个功能要想去使用还是比较困难的。
我在vs2010是可以运行起来的,所以大家可以在vs系列尝试这个功能。
struct s
{
int n;
float s;
int arr[];//柔性数组成员,另外的一个写法是int arr[0],有的编辑器支持这种写法。
};
int main()
{
return 0;
}
柔性数组的特点
1.结构体中的柔性数组成员前必须至少含有一个其他成员
2.sizeof返回的这种结构体的大小不包括柔性数组的内容
3.包含柔性数组成员的结构体用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体的大小,以适应柔性数组的预期大小
#include<stdio.h>
struct s
{
int n; //4
float s; //4
int arr[];//柔性数组成员
};
int main()
{
printf("%d\n",sizeof(struct s));
return 0;
}
运行结果如下:
由该程序就可以证明,计算结构体的大小时,是没有包含柔性数组的大小的。
柔性数组的使用
柔性数组的方案
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
struct s
{
int n;
float b;
int arr[];
};
int main()
{
int i = 0;
struct s* ptr = NULL;
//开辟空间
struct s* ps = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 4 * sizeof(int)); //记得要给柔性数组开辟空间
if(ps == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
//使用空间
ps->n = 10;
ps->b = 1.5f;
printf("请输入数据\n");
for(i = 0;i < 4;i++)
{
scanf("%d",&ps->arr[i]);
}
printf("%d lf\n",ps->n,ps->b);
for(i = 0;i < 4;i++)
{
printf("%d\n",ps->arr[i]);
}
//给柔性数组增加空间
ptr = (struct s*)realloc(ps,sizeof(struct s) + 8 * sizeof(int));
if(ps == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
ps = ptr;
//使用空间
ps->n = 12;
ps->b = 1.5f;
printf("请输入数据\n");
for(i = 4;i < 8;i++)
{
scanf("%d",&ps->arr[i]);
}
printf("%d lf\n",ps->n,ps->b);
for(i = 4;i < 8;i++)
{
printf("%d\n",ps->arr[i]);
}
//释放空间
free(ps);
ps = NULL;
ptr = NULL;
return 0;
}
替代柔性数组的方案
#include<stdio.h>
#include<string.h>
#include<stdlib.h>
struct s
{
int n;
float b;
int* a;
};
int main()
{
int i = 0;
int* tmp = NULL;
//开辟空间
struct s* ps = (struct s*)malloc(sizeof(struct s));
if(ps == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
//使用空间
ps->n = 10;
ps->b = 1.5f;
tmp = (int*)malloc(4 * sizeof(int));
if(tmp == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
ps->a = tmp;
printf("请输入数据\n");
for(i = 0;i < 4;i++)
{
scanf("%d",&ps->a[i]);
}
printf("%d lf\n",ps->n,ps->b);
for(i = 0;i < 4;i++)
{
printf("%d\n",ps->a[i]);
}
tmp = (int*)realloc(ps->a,8 * sizeof(int));
if(tmp == NULL)
{
strerror(errno);
exit(1);
}
ps->a = tmp;
//使用空间
ps->n = 12;
ps->b = 1.5f;
printf("请输入数据\n");
for(i = 4;i < 8;i++)
{
scanf("%d",&ps->a[i]);
}
printf("%d lf\n",ps->n,ps->b);
for(i = 4;i < 8;i++)
{
printf("%d\n",ps->a[i]);
}
//释放空间
free(ps->a);
ps->a = NULL;
free(ps);
ps = NULL;
tmp = NULL;
return 0;
}
两种方式的方案:
1.替代柔性数组的方案中,使用多次malloc,产生了过多的内存碎片,内存碎片不好利用,导致内存的利用率下降。(两次malloc函数开辟的空间是不连续的)
2.替代柔性数组的方式采用过多malloc函数,更容易忘记增加相应数目的free函数来释放动态开辟的内存,造成内存泄露。
柔性数组的优势
第一个好处:方便内存释放
假设以后在给用户编写函数时,如果使用柔性数组,那么用户只需要free一次就可以把所以动态开辟的内存释放掉。
第二个好处:这样有利于访问速度
连续的内存有利于提高内存访问速度,也有利于减少内存碎片。
今天的讲解就到这里,关注点一点,下期更精彩。