动态内存管理(2)

文章目录

    • 4. 几个经典的笔试题
      • 4.1 题目1
      • 4.2 题目2
      • 4.3 题目3
      • 4.4 题目4
    • 5. C/C++程序的内存开辟
    • 6. 动态通讯录
    • 7. 柔性数组
      • 7.1 柔性数组的特点
      • 7.2 柔性数组的使用
      • 7.3 柔性数组的优势

4. 几个经典的笔试题

4.1 题目1

#include 
#include 
#include 

void GetMemory(char* p)
{
	p = (char*)malloc(100);
}

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

在调用GetMemory函数时,传的是str的值,p是str的一份临时拷贝,p里面放的也是NULL,接着,把malloc开辟空间的地址给了p,但是str还是NULL,那么strcpy中的str就是NULL,就会对空指针进行解引用操作;同时,动态申请的内存空间没有释放,存在内存泄漏的问题(而且出了GetMemory函数之后想释放也释放不了,因为p所在的那块内存空间已经被销毁了,已经还给操作系统了)。

注:

  1. 传变量本身就是传值,传变量的地址才叫传址
  2. printf(“hello world”)并不是把"hello world"这个字符串传给了printf这个函数,而是传的’h’的地址,所以printf(str)这个写法没有问题

可以这样修改:

#include 
#include 
#include 

void GetMemory(char** p)
{
	*p = (char*)malloc(100);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str);
	strcpy(str, "hello world");
	printf(str);
	//释放
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

4.2 题目2

#include 
#include 

char* GetMemory(void)
{
	char p[] = "hello world";

	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

这里的str确实存了数组首元素的地址,但是p这个数组出了GetMemory这个函数就被销毁了,str变成了野指针,它指向的空间里的内容变成了随机值,所以打印出来就是随机值(这里也相当于是非法访问了)

可以这样修改:

#include 
#include 

char* GetMemory(void)
{
	static char p[] = "hello world";
	//char* p = "hello world";//"hello world"是常量字符串,放在代码段,程序结束才会销毁;p接收的是'h'的地址,所以str里放的是'h'的地址,出了作用域p被销毁了并不影响str找到"hello world"
	//以上两种写法都可以

	return p;
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	str = GetMemory();
	printf(str);
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

总结: 这属于返回栈空间地址的问题

我们可以简化一下这个问题:

#include 

int* test()
{
	int a = 10;

	return &a;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("%d\n", *p);

	return 0;
}

这里的p就变成了野指针,但是有可能还能打印出10,这是因为可能这块空间还没有被用掉

如果改成这样:

#include 

int* test()
{
	int a = 10;

	return &a;
}

int main()
{
	int* p = test();
	printf("*p=");
	printf("%d\n", *p);

	return 0;
}

这样就打印不出来10了,这里涉及到函数栈帧:
动态内存管理(2)_第1张图片
当只有第二个printf语句时,我在test函数返回后迅速先通过*p来找到10,然后开辟了printf的函数栈帧来打印它,所以还有可能打印出10;但是我再前面再加了一个printf后,第一个printf函数开辟的空间覆盖了原来test函数开辟的空间,所以第二个printf就打印不出10了

4.3 题目3

#include 
#include 
#include 

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

问题在于忘记释放

应该这样修改:

#include 
#include 
#include 

void GetMemory(char** p, int num)
{
	*p = (char*)malloc(num);
}

void Test(void)
{
	char* str = NULL;
	GetMemory(&str, 100);
	strcpy(str, "hello");
	printf(str);
	free(str);
	str = NULL;
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

4.4 题目4

#include 
#include 
#include 

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

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

问题在于free完后没有把str置为空指针,导致str变为野指针,非法访问内存了

应该这样修改:

#include 
#include 
#include 

void Test(void)
{
	char* str = (char*)malloc(100);
	strcpy(str, "hello");
	free(str);
	str = NULL;

	if (str != NULL)
	{
		strcpy(str, "world");
		printf(str);
	}
}

int main()
{
	Test();

	return 0;
}

5. C/C++程序的内存开辟

动态内存管理(2)_第2张图片
注: 数据段也就是静态区

从图中我们也可以得知,一个全局变量和一个局部变量的地址其实离得是比较远的:

#include 

int d = 200;

int main()
{
	int a = 10;
	int b = 20;

	static int c = 100;

	printf("&a = %p\n", &a);//&a = 00CFFB6C
	printf("&b = %p\n", &b);//&b = 00CFFB60
	printf("&c = %p\n", &c);//&c = 0076A038
	printf("&d = %p\n", &d);//&d = 0076A034

	return 0;
}

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(operate system)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在初识C语言中讲的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。

6. 动态通讯录

我们对之前写的通讯里进行一个改造:

  1. 通讯录的空间不是固定的,大小是可以调整的
  2. 默认能放3个人的信息,如果不够,就每次增加2个人的信息

首先,我们要改变一下通讯录这个结构体:

//contact.h

typedef struct Contact
{
	PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
	int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
	int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;

接着是初始化通讯录:

//contact.c

void InitContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));//DEFAULT_SZ是我定义的默认大小:3

	if (NULL == pc->data)
	{
		perror("InitContact");
		return;
	}

	pc->sz = 0;
	pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}

然后是增加联系人:

//contact.c

int CheckCapacity(Contact* pc)
{
	if (pc->sz == pc->capacity)
	{
		PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
		
		if (NULL == ptr)
		{
			perror("CheckCapacity");
			return 0;
		}
		else
		{
			pc->data = ptr;
			pc->capacity += INC_SZ;
			printf("增容成功\n");
			return 1;
		}
	}

	return 1;
}

void AddContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == CheckCapacity(pc))
	{
		return;
	}

	printf("请输入名字:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
	printf("请输入年龄:>");
	scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
	printf("请输入性别:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
	printf("请输入电话:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
	printf("请输入地址:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);

	pc->sz++;
	printf("成功增加联系人\n");
}

最后用完通讯录要对它进行释放:

//contact.c

void DestroyContact(Contact* pc)
{
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;
	pc->capacity = 0;
	pc->sz = 0;
}

其他通讯录的功能不需要改动,完整代码如下:

//contact.h

#include 
#include 
#include 
#include 

#define MAX 100
#define MAX_NAME 20
#define MAX_SEX 5
#define MAX_TELE 12
#define MAX_ADDR 30

#define DEFAULT_SZ 3
#define INC_SZ 2

enum OPTION
{
	EXIT,//0
	ADD,
	DEL,
	SEARCH,
	MODIFY,
	SHOW,
	SORT
};

enum SELECT
{
	NAME = 1,
	AGE
};

//类型的声明

typedef struct PeoInfo
{
	char name[MAX_NAME];
	int age;
	char sex[MAX_SEX];
	char tele[MAX_TELE];
	char addr[MAX_ADDR];
}PeoInfo;



//通讯录

//动态版本
typedef struct Contact
{
	PeoInfo* data;//指向了存放数据的空间
	int sz;//记录的是当前放的有效元素的个数
	int capacity;//通讯录当前的最大容量
}Contact;


//函数声明

//初始化通讯录
void InitContact(Contact* pc);

//增加联系人
void AddContact(Contact* pc);

//显示所有联系人的信息
void ShowContact(const Contact* pc);

//删除指定联系人
void DelContact(Contact* pc);

//查找指定联系人
void SearchContact(const Contact* pc);

//修改指定联系人
void ModifyContact(Contact* pc);

//排序功能
void SortContact(Contact* pc);

void DestroyContact(Contact* pc);
//contact.c

#include "contact.h"

//动态版本
void InitContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	pc->data = (PeoInfo*)malloc(DEFAULT_SZ * sizeof(PeoInfo));

	if (NULL == pc->data)
	{
		perror("InitContact");
		return;
	}

	pc->sz = 0;
	pc->capacity = DEFAULT_SZ;
}

//动态版本
int CheckCapacity(Contact* pc)
{
	if (pc->sz == pc->capacity)
	{
		PeoInfo* ptr = (PeoInfo*)realloc(pc->data, (pc->capacity + INC_SZ) * sizeof(PeoInfo));
		
		if (NULL == ptr)
		{
			perror("CheckCapacity");
			return 0;
		}
		else
		{
			pc->data = ptr;
			pc->capacity += INC_SZ;
			printf("增容成功\n");
			return 1;
		}
	}

	return 1;
}

void AddContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == CheckCapacity(pc))
	{
		return;
	}

	printf("请输入名字:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].name);
	printf("请输入年龄:>");
	scanf("%d", &(pc->data[pc->sz].age));
	printf("请输入性别:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].sex);
	printf("请输入电话:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].tele);
	printf("请输入地址:>");
	scanf("%s", pc->data[pc->sz].addr);

	pc->sz++;
	printf("成功增加联系人\n");
}


void ShowContact(const Contact* pc)
{
	assert(pc);
	
	int i = 0;
	//打印列标题
	printf("%-20s\t%-4s\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
	//打印数据
	for (i = 0; i < pc->sz; i++)
	{
		printf("%-20s\t%-4d\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n",
			pc->data[i].name,
			pc->data[i].age,
			pc->data[i].sex,
			pc->data[i].tele,
			pc->data[i].addr);
	}

}

static int FindByName(const Contact* pc, char name[])
{
	int i = 0;

	for (i = 0; i < pc->sz; i++)
	{
		if (0 == strcmp(pc->data[i].name, name))
		{
			return i;//找到了
		}
	}

	return -1;//找不到
}

void DelContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == pc->sz)
	{
		printf("通讯录为空,无法删除\n");
		return;
	}

	char name[MAX_NAME] = { 0 };

	//删除
	printf("请输入要删除的人的名字:>");
	scanf("%s", name);

	//找到要删除的人
	int del = FindByName(pc, name);

	if (-1 == del)
	{
		printf("要删除的人不存在\n");
		return;
	}

	int i = 0;

	//删除坐标为del的联系人
	for (i = del; i < pc->sz - 1; i++)
	{
		pc->data[i] = pc->data[i + 1];
	}

	pc->sz--;
	printf("成功删除联系人\n");
}

void SearchContact(const Contact* pc)
{
	assert(pc);

	char name[MAX_NAME] = { 0 };
	printf("请输入要查找人的名字:>");
	scanf("%s", name);
	int pos = FindByName(pc, name);

	if (-1 == pos)
	{
		printf("要查找的人不存在\n");
	}
	else
	{
		//打印列标题
		printf("%-20s\t%-4s\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n", "名字", "年龄", "性别", "电话", "地址");
		//打印数据
		printf("%-20s\t%-4d\t%-5s\t%-12s\t%-30s\n",
				pc->data[pos].name,
				pc->data[pos].age,
				pc->data[pos].sex,
				pc->data[pos].tele,
				pc->data[pos].addr);
	}
}

void ModifyContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	char name[MAX_NAME] = { 0 };
	printf("请输入要修改人的名字:>");
	scanf("%s", name);
	int pos = FindByName(pc, name);

	if (-1 == pos)
	{
		printf("要修改的人不存在\n");
	}
	else
	{
		printf("请输入名字:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].name);
		printf("请输入年龄:>");
		scanf("%d", &(pc->data[pos].age));
		printf("请输入性别:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].sex);
		printf("请输入电话:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].tele);
		printf("请输入地址:>");
		scanf("%s", pc->data[pos].addr);
		printf("修改成功\n");
	}
}


void select()
{
	printf("********************************\n");
	printf("***** 1. name    2. age    *****\n");
	printf("********************************\n");
}

int cmp_by_name(const void* p1, const void* p2)
{
	return strcmp(((PeoInfo*)p1)->name, ((PeoInfo*)p2)->name);
}

int cmp_by_age(const void* p1, const void* p2)
{
	return ((PeoInfo*)p1)->age - ((PeoInfo*)p2)->age;
}

void SortContact(Contact* pc)
{
	assert(pc);

	if (0 == pc->sz)
	{
		printf("通讯录为空,无法排序\n");
		return;
	}

	int input = 0;

	do
	{
		select();
		printf("请选择按何种方式进行排序:>");
		scanf("%d", &input);

		switch (input)
		{
		case NAME:
			qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_name);
			printf("排序成功\n");
			break;
		case AGE:
			qsort(pc->data, pc->sz, sizeof(pc->data[0]), cmp_by_age);
			printf("排序成功\n");
			break;
		default:
			printf("选择错误,重新选择\n");
			break;
		}

	} while (input != NAME && input != AGE);
}


void DestroyContact(Contact* pc)
{
	free(pc->data);
	pc->data = NULL;
	pc->capacity = 0;
	pc->sz = 0;
}
//test.c

#include "contact.h"

void menu()
{
	printf("********************************\n");
	printf("***** 1. add     2. del    *****\n");
	printf("***** 3. search  4. modify *****\n");
	printf("***** 5. show    6. sort   *****\n");
	printf("***** 0. exit              *****\n");
	printf("********************************\n");
}

void test()
{
	int input = 0;
	//首先得有通讯录
	Contact con;
	InitContact(&con);

	do
	{
		menu();
		printf("请选择:>");
		scanf("%d", &input);

		switch (input)
		{
		case ADD:
			AddContact(&con);
			break;
		case DEL:
			DelContact(&con);
			break;
		case SEARCH:
			SearchContact(&con);
			break;
		case MODIFY:
			ModifyContact(&con);
			break;
		case SHOW:
			ShowContact(&con);
			break;
		case SORT:
			//排序
			//按照名字排序?
			//按照年龄排序?
			SortContact(&con);
			break;
		case EXIT:
			DestroyContact(&con);
			printf("退出通讯录\n");
			break;
		default:
			printf("选择错误,重新选择\n");
			break;
		}

	} while (input);
}

int main()
{
	test();

	return 0;
}

7. 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。

7.1 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。

7.2 柔性数组的使用

#include 
#include 

struct S
{
	int n;
	//int arr[0];//这两种写法都可以
	int arr[];//柔性数组
};

int main()
{
	//printf("%d\n", sizeof(struct S));//4
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S) + 40);

	if (NULL == ps)
	{
		perror("malloc");
		return 1;
	}

	ps->n = 100;
	int i = 0;

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i + 1;
	}

	//空间不够,需要增容
	struct S* ptr = (struct S*)realloc(ps, sizeof(struct S) + 60);

	if (NULL == ptr)
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	ps->n = 15;

	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

7.3 柔性数组的优势

我们不使用柔性数组也可以实现上述功能:

#include 
#include 

struct S
{
	int n;
	int* arr;
};

int main()
{
	struct S* ps = (struct S*)malloc(sizeof(struct S));

	if (NULL == ps)
	{
		perror("malloc->ps");
		return 1;
	}

	ps->n = 100;
	ps->arr = (int*)malloc(40);

	if (NULL == ps->arr)
	{
		perror("malloc->arr");
		return 1;
	}

	int i = 0;

	for (i = 0; i < 10; i++)
	{
		ps->arr[i] = i + 1;//1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
	}

	//调整
	int* ptr = (int*)realloc(ps->arr, 60);

	if (ptr != NULL)
	{
		ps->arr = ptr;
	}
	else
	{
		perror("realloc");
		return 1;
	}

	//打印
	for (i = 0; i < 15; i++)
	{
		printf("%d\n", ps->arr[i]);
	}

	//释放
	free(ps->arr);
	ps->arr = NULL;

	free(ps);
	ps = NULL;

	return 0;
}

那么柔性数组的优势是什么呢?

  1. 使用柔性数组只用了一次malloc就解决问题了,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。

  1. 如果你在内存空间中多次开辟空间,内存碎片(内存和内存之间留下的缝)就越多,这些内存碎片就可能不能被很好地利用,内存的利用率就越低;同时,访问速度也会变低。

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)

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