高效利用内存资源之动态内存管理详解

目录

一、为什么存在动态内存分配

二、动态内存函数的介绍

2.1malloc

2.2free

2.3calloc

2.4realloc

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

3.2对动态开辟空间的越界访问

3.3对非动态开辟内存使用free释放

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

3.5对同一块动态内存多次释放

3.6动态开辟内存忘记释放（内存泄漏）

四、经典笔试题

🌴题目一： 

 🌴题目二： 

 🌴题目三： 

  🌴题目四： 

五、C/C++程序的内存开辟

六、柔性数组

6.1柔性数组的特点

 6.2柔性数组的使用

6.3柔性数组的优势

结语：

一、为什么存在动态内存分配

截止目前我们已经掌握的开辟空间的方式有以下两种：

int main()
{//在栈空间上开辟四个字节，存放一个值int a = 10;//在栈空间上开辟10个字节的连续空间，存放一组数int arr[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };return 0;
}

但是上述开辟空间的方式有两个特点：

  1. 空间开辟的大小是固定的。
  2. 数组在声明的时候，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，那数组在编译时开辟空间的方式就不能满足了。这个时候C语言给了我们程序员一种权利：能够动态申请和管理内存空间，即动态内存的开辟。有了这种权力，我们就能很好的解决上述所面临的问题了。

二、动态内存函数的介绍

 🌴函数头文件都是：

#include <stdlib.h>

2.1malloc

"malloc"函数用于动态分配指定大小的内存空间，并返回一个指向该内存空间的指针。

🌴函数原型： 

void* malloc (size_t size);
  • 其中，size参数表示需要分配的内存空间的大小，单位为字节。
  • 函数返回一个指向分配的内存空间的指针，如果分配失败则返回 NULL。

 🌴函数用法示例：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}int i = 0;//因为这个函数返回一个指向分配好的内存块开头的指针，//所以ptr这个指针变量相当于这块内存空间的首地址for (i = 0; i < 10; i++){*(ptr + i) = i;}for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);}return 0;
}

🌴打印结果：

 🌴注意事项： 

  1. 如果开辟成功，则返回一个指向开辟好空间的指针。
  2. 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。
  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，具体在使用的时候由使用者自己来决定。
  4. 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。

malloc函数申请的空间有两种释放方式：

  1. free释放 --- 主动回收。
  2. 程序退出后，malloc申请的空间会被操作系统回收 --- 被动回收。

注：正常情况下，谁申请的空间，谁去释放，万一自己不释放，也要交代给别人记得释放。

2.2free

动态分配内存允许程序在运行时分配和释放内存，这对于处理大量数据或者需要灵活管理内存的程序非常重要。但是，如果不及时释放已经分配的内存，就会导致内存泄漏，最终可能导致程序崩溃。在C语言中，我们可以使用free()函数释放已经分配的内存。

 🌴函数原型： 

void free (void* ptr);

 free函数非常简单，它只需要传入一个指向已经分配的内存块的指针，就可以将该内存块释放回操作系统。

  🌴函数用法示例：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>int main()
{//申请一块空间，用来存放10个整型int* ptr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));//如果返回NULL，则代表空间申请失败，并打印失败原因if (ptr == NULL){perror("malloc");return 1;}*ptr = 10;printf("ptr指向的值为：%d\n", *ptr);free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

🍄解析：

  •  在上述代码中，首先使用malloc函数分配一个整型变量的内存空间，并将其赋值给指针变量ptr。然后，将整型变量的值设置为10，并输出该值。最后，使用free函数释放了该内存空间。
  • 需要我们清楚的一点是，malloc的作用是申请一块空间供当前程序使用，而free函数的作用是把申请的这块空间还给操作系统。然而，free虽然将空间还给了操作系统，但指针变量ptr却还记得申请的这块空间的地址，这时候它就变成了一个野指针，这是非常危险的，所以我们要在free释放完空间后将ptr置为空指针NULL。

🌴注意事项： 

  1. 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。
  2. 如果参数 ptr 是NULL指针，则函数什么事都不做。

2.3calloc

"calloc"函数和"malloc"函数相似，都是用来分配内存的。不同之处在于"calloc"函数在分配内存时会将内存中的每个字节初始化为0。

 🌴函数原型：

void* calloc (size_t num, size_t size);
  • "calloc"函数接收两个参数，分别是要分配的元素个数和每个元素的大小。
  • 它会分配总共 num*size 个字节的内存，并将这些内存空间初始化为0。 

   🌴函数用法示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//打印int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", *(ptr + i));}//释放free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

🍄解析：

 

在上述代码中，首先使用calloc函数分配了10个整型变量的内存空间 ，并将其赋值给指针变量ptr。由于calloc函数会将分配的内存空间初始化为0，因此在使用循环输出ptr指向的内存空间时，会发现所有的值都是0。最后，使用free函数释放了该内存空间。所以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。

2.4realloc

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，那为了合理的使用内存，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，即realloc函数用于重新分配之前通过malloc、calloc或realloc函数分配的内存块的大小。

  🌴函数原型：

void* realloc (void* ptr, size_t size);
  • ptr：之前分配的内存块的指针。
  • size：新的内存块的大小。
  • 返回值为调整之后的内存起始位置。
  • realloc函数会尝试将之前分配的内存块的大小改变为size字节，并返回指向新内存块的指针。如果无法满足新的大小要求，realloc函数可能会在不同的位置重新分配内存块，并将原内存块的内容复制到新的内存块中。

    🌴函数用法示例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{//分配10个整型的内存块int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i < 10; i++){ptr[i] = i;}//打印for (i = 0; i < 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);}//空间不够，希望调整空间为20个整型的空间int* p = (int*)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));if (p != NULL){ptr = p;}//释放free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

 🌴注意事项：  

1.realloc函数在调整内存空间时存在两种情况：

🍄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：

2.如果ptr为NULL，则realloc的行为类似于free，即它将分配一个新的内存块。 

int main()
{int* p = (int*)realloc(NULL, 10 * sizeof(int));if (p == NULL){perror("realloc");return 1;}free(p);p = NULL;return 0;
}

三、常见的动态内存错误

3.1对NULL指针的解引用操作

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错*p = 20;return 0;
}

🍂这时候鼠标点上去编译器就会提示你有错误： 

🌴正确写法：

int main()
{int* p = (int*)malloc(40);if (p == NULL){perror("malloc");}//不做返回值判断，就可能使用NULL指针解引用，就会报错*p = 20;free(p);p = NULL;return 0;
}

3.2对动态开辟空间的越界访问

int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i <= 10; i++){ptr[i] = i;//当i是10的时候越界访问}for (i = 0; i <= 10; i++){printf("%d ", ptr[i]);//当i是10的时候越界访问}free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

3.3对非动态开辟内存使用free释放

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

上述代码中的变量a是我们在栈上面开辟的空间，而free只能释放malloc、calloc、realloc开辟的空间，它们都是在堆区上面开辟空间。

3.4使用free释放一块动态开辟内存的一部分

int main()
{int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int));if (ptr == NULL){perror("calloc");return 1;}//初始化内存块int i = 0;for (i = 0; i < 5; i++){*ptr = i;ptr++;}// 0 1 2 3 4 0 0 0 0 0free(ptr);ptr = NULL;return 0;
}

在上述代码中，我们初始化内存块的时候，刚开始*ptr指向所开辟的这块空间的第一个元素，将它初始化为0，然后ptr++，指向第二个元素，初始化为1，直到循环结束，所开辟的这块空间前5个元素就会被初始化为0 1 2 3 4，而因为它是calloc开辟的空间，所以剩下的5个元素就会被初始化为0 0 0 0 0。而现在当这个循环结束的时候ptr++，它会指向第6个元素，紧接着直接释放内存，这个时候程序就会出现问题。所以我们要释放也是全部释放。
 

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;}free(p);//...free(p);return 0;
}

解决办法是第一次释放完空间后将p置为NULL指针，因为当free函数的参数为NULL指针是它什么事也不做。

3.6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);
}

忘记释放不在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。

四、经典笔试题

🌴题目一： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>void GetMemory(char* p)
{p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(str);strcpy(str, "hello world");printf(str);
}//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{Test();return 0;
}

🍂解析：

上述这段代码运行起来后最终会崩溃。首先程序运行起来后先进入main函数，然后调用Test函数，进入Test函数后，创建指针变量str并将它置为NULL指针。紧接着再调用GetMemory函数，将实参str传给形参p，并将str的值也一并传给了形参，然后malloc开辟100个字节的空间并将它的起始地址返回给p，即p指向此时开辟的这100个字节的空间。当它返回被调用的GetMemory函数时，因为它是形参，一旦函数执行完毕，形参的值和状态将不再保留，所以p所占用的内存空间将会被释放，但malloc开辟的这块空间还存在，此时因为p不见了，所以没人能找到这块空间。函数继续往下执行，要将"hello world"拷贝到str指向的空间，但因为str是空指针，这儿必然会对空指针进行解引用操作，所以会出现程序崩溃的情况。而且程序运行结束时，malloc开辟的空间也没有释放，所以还会发生内存泄漏的情况。

🌻改正后的代码： 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>void GetMemory(char** p)
{*p = (char*)malloc(100);
}
void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str);strcpy(str, "hello world");printf(str);free(str);str = NULL;
}int main()
{Test();return 0;
}

因为形参是实参的一份临时拷贝，所以改变形参并不会影响到实参。在上面改进后的代码中，我们将str的地址传给形参，并用二级指针变量来接收，然后解引用p，找到str让他指向malloc函数开辟的空间，就可以将"hello world"拷贝过去了。

 🌴题目二： 

char* GetMemory(void)
{char p[] = "hello world";return p;
}void Test(void)
{char* str = NULL;str = GetMemory();printf(str);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{Test();return 0;
}

🍂解析：

在上述代码中，我们还是先进入主函数，然后调用Test函数，进入Test函数内部首先创建str指针变量并将它置为NULL指针，然后调用GetMemory函数并将它的返回值赋给str，进入GetMemory函数内部，创建一个数组，里边存放的是"hello world"，这儿我们应该清楚这个p数组它是在栈上边创建的，进入这个函数创建，出这个函数销毁。然后返回p（此时p是数组名，代表的是数组首元素的地址），str接收返回的p，此时，str里边存放的就是p的地址值，但是，虽然将地址值带回来了，创建的那块空间却不属于我了（因为出了函数后，创建的空间就会还给操作系统，它的使用权限就不属于我了）。所以，当我们再去使用str指针的时候，它就会变成野指针，这种问题属于返回栈空间地址的问题。  

要想解决这个问题也很简单，第一种方法可以在局部变量char p[ ]前面加关键字static修饰，这样它就变成了静态局部变量，它会一直存在于内存中，直到程序结束。第二种方法是用malloc函数来开辟空间，只要程序不退出或主动回收，这块空间就一直存在。

 🌴题目三： 

void GetMemory(char** p, int num)
{*p = (char*)malloc(num);
}void Test(void)
{char* str = NULL;GetMemory(&str, 100);strcpy(str, "hello");printf(str);
}
//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{Test();return 0;
}

 🍂解析：

上面这段代码虽然能打印出结果来，但它在使用完malloc开辟的空间后没有将它释放，所以说存在内存泄漏的问题。

  🌴题目四： 

void Test(void)
{char* str = (char*)malloc(100);strcpy(str, "hello");free(str);if (str != NULL){strcpy(str, "world");printf(str);}
}//请问运行Test 函数会有什么样的结果？
int main()
{Test();return 0;
}

 🍂解析：

上面这段程序将"hello"拷贝到malloc函数开辟的空间后，直接将这块空间释放掉了，但str还是存着这块空间的地址，所以在if语句中判断时，它依然为真，那就进入函数内部，将"world"拷贝到str指向的这块空间的地址，此时的str已经变成了野指针，对野指针进行操作，就是非法访问内存。

其实这段代码考察的点在free释放完空间后有没有将str置为NULL指针。

五、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。

六、柔性数组

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： 

struct s
{char c;int i;int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

有些编译器会报错无法编译可以改成： 

struct s
{char c;int i;int arr[];//未知大小的数组--柔性数组成员
};

6.1柔性数组的特点

1、结构中的柔性数组成员前面必须至少一个其他成员。

2、sizeof 返回的这种结构大小不包括柔性数组的内存。

struct s
{char c;//1int i;//4int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};int main()
{printf("%d\n", sizeof(struct s));return 0;
}

 

3、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。

struct s
{char c;int i;int arr[0];//未知大小的数组--柔性数组成员
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){perror("malloc");return 1;}//释放free(pc);pc = NULL;return 0;
}

 6.2柔性数组的使用

//代码1
struct s
{char c;int i;int arr[];
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){peror("malloc");return 1;}pc->c = 'w';pc->i = 100;for (int i = 0; i < 5; i++){pc->arr[i] = i;}for (int i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", pc->arr[i]);}//空间不够了，增容struct s* ptr = (struct s*)realloc(pc, sizeof(struct s) + 40);if (ptr != NULL){pc = ptr;}else{perror("realloc");return 1;}//增容成功后，继续使用// ......//释放free(pc);pc = NULL;return 0;
}

6.3柔性数组的优势

🌵上述的代码也可写成下面这样： 

//代码2
struct s
{char c;int i;int* data;
};int main()
{struct s* pc = (struct s*)malloc(sizeof(struct s) + 20);if (pc == NULL){peror("malloc1");return 1;}pc->c = 'w';pc->i = 100;pc->data = (int*)malloc(20);if (pc->data == NULL){perror("malloc2");return 1;}for (int i = 0; i < 5; i++){pc->data[i] = i;}for (int i = 0; i < 5; i++){printf("%d ", pc->data[i]);}//空间不够了，增容int* ptr = (int*)realloc(pc->data, 40);if (ptr != NULL){pc->data = ptr;return 1;}//释放free(pc->data);pc->data = NULL;free(pc);pc = NULL;return 0;
}
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也给释放掉。

🍂第二个好处是：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。

结语：

动态内存分配是一项强大而灵活的功能，它允许程序再运行时动态的分配和释放内存。然而，与之相伴而来的是一些潜在的问题和风险。在使用动态内存时，我们需要特别注意内存泄漏、野指针、内存碎片等问题，以及合理的管理内存的生命周期。 

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ELK 是目前最流行的集中式日志解决方案&#xff0c;提供了对日志收集、存储、展示等一站式的解决方案。 ELK 分别指 Elasticsearch、Logstash、Kibana。 Elasticsearch&#xff1a;分布式数据搜索引擎&#xff0c;基于 Apache Lucene 实现&#xff0c;可集群&#xff0c;提供…
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本地搭建Linux DataEase数据可视化分析工具并实现公网访问

本地搭建Linux DataEase数据可视化分析工具并实现公网访问

文章目录 前言1. 安装DataEase2. 本地访问测试3. 安装 cpolar内网穿透软件4. 配置DataEase公网访问地址5. 公网远程访问Data Ease6. 固定Data Ease公网地址 前言 DataEase 是开源的数据可视化分析工具&#xff0c;帮助用户快速分析数据并洞察业务趋势&#xff0c;从而实现业务…
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