许大仙
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🔥更新：2024-12-30📝字数: 0 字⏱时长: 0 分钟

第一章：回顾知识 ​

1.1 虚拟地址空间 ​

  • 为了更好的管理程序，操作系统将虚拟地址空间分为了不同的内存区域，这些内存区域存放的数据、用途、特点等皆有不同，下面是 Linux 下 32 位环境的经典内存模型，如下所示：
  • 每个内存区域的特点，如下所示：
内存分区说明
程序代码区（code）存储程序的执行代码，通常为只读区，包含程序的指令。 程序启动时，这部分内存被加载到内存中，并不会在程序执行期间改变。
常量区（constant）存放程序中定义的常量值，通常也是只读的，这些常量在程序运行期间不可修改。
全局数据区（global data）存储程序中定义的全局变量和静态变量。 这些变量在程序的整个生命周期内存在，且可以被修改。
堆区（heap，⭐）用于动态分配内存，例如：通过 malloc 或 new 分配的内存块。 堆区的内存由程序员手动管理，负责分配和释放。 如果程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。
动态链接库动态链接库（如： .dll 或 .so 文件）被加载到内存中特定的区域，供程序运行时使用。
栈区（stack）用于存储函数调用的局部变量、函数参数和返回地址。 栈是自动管理的，随着函数的调用和返回，栈上的内存会自动分配和释放。

提醒

  • ① 程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，不能销毁也不能增加（大小已被固定），只能等到程序运行结束后由操作系统收回，所以全局变量、字符串常量等在程序的任何地方都能访问，因为它们的内存一直都在。
  • ② 函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。
  • ③ 常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。程序员唯一能控制的内存区域就是堆（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。
  • 在 64 位 Linux 环境下，虚拟地址空间大小为 256TB，Linux 将高 128TB 的空间分配给内核使用，而将低 128TB 的空间分配给用户程序使用，如下所示：

提醒

  • ① 程序代码区，也可以称为代码段；而全局数据区和常量区，也可以称为数据段。
  • ② 全局数据区分为初始化数据段（存储已初始化的全局变量和静态变量）和未初始化数据段（存储未初始化的全局变量和静态变量）；常量区也称为只读数据段，通常是只读的，防止数据被修改。
  • ③ 冯·诺依曼体系结构中的程序，也被称为存储式程序，需要通过加载器（Loader），将程序从硬盘加载到内存中运行。
  • ④ 存储式程序中的程序分为指令和数据；其中，代码段中保存的是指令，数据段中保存的是数据。

1.2 栈区的内存管理、特点、优缺点和应用场景 ​

1.2.1 栈内的内存管理 ​

  • 栈区（Stack）的内存管理主要依赖栈指针寄存器（Stack Pointer 寄存器，简称：SP 寄存器）的移动来实现。
  • 我们可以简单的将 SP 寄存器看成是一个跟踪栈顶位置的指针，它始终指向栈的顶部。
  • 栈区可以随着函数的调用生长，而且是从高地址向低地址，向下生长，即：
    • ① 当函数开始调用，栈帧进栈的时候，SP 会减少，栈顶移向低地址。
    • ② 当函数结束调用，栈帧出栈的时候，SP 会增加，栈顶移向高地址。
  • 假设函数调用的代码，如下所示：
c
#include <stdio.h>

void test(){
    
    printf("我是 test 函数");
    
}

int main(){
    
    test();
    
    printf("我是 main 函数")
    
    return 0;
}
  • 当 test 函数开始调用，即：test 栈帧进栈的时候，其对应的内存示意图，如下所示：
  • 当 test 函数结束调用，即：test 栈帧出栈的时候，其对应的内存示意图，如下所示：

1.2.2 栈区的特点及其优缺点 ​

  • ① 栈区的特点：
特点说明
存取速度快栈是一块连续的内存区域，且管理方式简单（仅需要调整栈指针），因此栈区的内存分配和访问速度极快。
自动管理操作系统负责栈区内存的分配与释放，程序员无需显式操作。
避免了内存泄漏等问题，但同时缺乏灵活性。
空间有限栈的大小通常是固定的（由操作系统或编译器设定），因此栈区的内存较为有限，适合存储小型对象或短期变量。
若栈空间耗尽（递归过深），可能导致栈溢出（Stack Overflow）。
短生命周期（自动存储期限）栈区的内存用于局部变量和临时数据，生命周期短，当函数执行完毕后，栈帧随即释放。
栈区的变量通常仅在函数作用域内有效。
线程私有每个线程都有自己独立的栈空间，不会被其他线程访问，即：线程安全。
地址从高向低分配栈通常是从高地址向低地址增长的（取决于具体的硬件架构）。
  • ② 栈区的优点：
优点说明
高效由于操作系统自动管理栈，分配和释放的效率很高。
安全程序员不需要显式释放内存，避免了悬空指针和内存泄漏。
  • ③ 栈区的缺点：
缺点说明
空间受限栈的大小固定，无法动态扩展，容易发生栈溢出。
生命周期短只能用于短期数据的存储，不适合存储大数据或需要长时间保存的数据。。

1.2.3 应用场景 ​

  • 由于栈区的优点，即：栈区适合存储短生命周期的小型数据，如下所示：

    • ① 局部变量。
    • ② 函数参数。
    • ③ 返回地址。
    • ④ 临时变量。
    • ...

  • 由于栈区的缺点，即：栈区不适合存储需要动态分配、生命周期较长或跨函数调用的数据结构，如下所示：

    • ① 存储体积较大的数据结构，如：大数组、长字符串和大型结构体。
    • ② 动态数据结构，如：动态长度的数组，链表，树等。
    • ③ 多线程共享的数据。
    • ④ 需要作为函数返回值的数据结构的指针（返回栈区数据的指针会引发悬空指针问题）。
    • ...

1.3 堆区的内存管理、特点、优缺点和应用场景 ​

1.3.1 堆区的内存管理 ​

  • 堆区（Heap）是计算机内存中的一部分，用于动态分配内存。与栈区不同，堆区的内存管理由程序员控制，通常用于存储程序运行时动态生成的数据。

提醒

点我查看 堆区内存管理的具体方面

  • ① 动态内存分配：

    • 在程序执行过程中，可以根据需求动态分配内存。
    • 在 C/C++ 中，使用 malloc、calloc、realloc 等函数来分配堆内存，使用 free 来释放内存。
    • 在 Java 或其他现代语言中，堆内存由垃圾回收机制（GC）自动管理，但仍然是动态分配的。

  • ② 内存管理方式：

    • 在 C/C++ 中，对于堆区的内存管理是手动管理，即：程序员需要显式分配和释放堆内存，若忘记释放，会造成内存泄漏；释放后指针仍然指向已释放的内存会导致悬挂指针等问题。
    • 在 Java、C# 中，对于堆区的内存管理是自动管理，即：堆内存由垃圾回收机制（GC）自动管理，程序员不需要手动释放内存，但也要小心避免内存泄漏（对象仍被引用但不再使用）。

  • ③ 内存分配和释放过程：

    • 内存分配时，堆区会找到一个足够大的空闲区域并返回内存地址，分配的内存没有固定的顺序或结构，可能导致内存碎片。
    • 堆内存释放时，操作系统会将已释放的内存标记为可用，但并不立即回收，直到下一次分配时才会重新利用。

1.3.2 堆区的特点及其优缺点 ​

  • ① 堆区的特点：
特点说明
灵活的内存分配与释放堆内存由程序员显式管理，内存的大小和生命周期不固定，可以根据需要动态调整。
适用于存储需要长时间存在的对象，或者其大小在编译时无法确定的数据结构，如：动态数组、链表、树等。
内存碎片化堆区内存管理采用的是一种"自由存储"方式（free store），会出现内存碎片。
内存碎片可以通过优化内存分配算法（内存池）或使用垃圾回收机制来减轻，但无法完全避免。
程序员控制堆内存的分配和释放通常是由程序员来手动控制（在低级语言，如： C/C++ 中），这带来灵活性但也增加了出错的可能性（忘记释放内存导致内存泄漏）。
现代语言，如：Java 和 Python ，使用自动垃圾回收机制来减少手动管理内存的麻烦，但堆内存的生命周期和分配仍然是动态的。。
跨函数调用生命周期堆区内存的生命周期由程序员控制，可以在多个函数或作用域之间共享。
可以通过指针或引用将堆内存分配的对象传递给不同的函数。
相对较慢的内存访问速度由于堆区内存需要动态分配，且可能涉及到较为复杂的内存管理策略，因此其访问速度通常不如栈区内存。
与栈区的内存访问不同，堆区可能存在更多的内存寻址和管理开销。
线程共享堆区内存是线程共享的，这意味着多个线程可以访问堆上的数据。
使用堆内存时需要注意线程安全问题，需要使用互斥锁（mutexes）等同步机制来防止多个线程同时访问同一块堆内存而导致竞争条件。
  • ② 堆区的优点：
优点说明
灵活性高可以动态分配和释放内存，适用于未知大小或生命周期较长的数据。
跨函数调用共享堆上的数据可以在不同函数间共享，适用于全局性、长期有效的对象。
适合大数据结构动态数组、链表、树、图等大数据结构通常存放在堆区。
  • ③ 堆区的缺点：
缺点说明
管理复杂需要程序员手动管理内存（在 C/C++ 中），容易造成内存泄漏或悬空指针。
内存碎片化频繁的分配与释放会导致堆内存碎片化，影响效率。
性能较差内存分配和访问速度相对较慢。

1.3.3 应用场景 ​

  • 由于堆区的优点，即：堆区适合存储需要动态分配、生命周期较长或跨函数调用的数据结构，如下所示：
    • ① 存储体积较大的数据结构，如：大数组、长字符串和大型结构体。
    • ② 动态数据结构，如：动态长度的数组，链表，树等。
    • ③ 多线程共享的数据。
    • ④ 需要作为函数返回值的数据结构的指针（返回栈区数据的指针会引发悬空指针问题）。
    • ...
  • 由于堆区的缺点，即：堆区不适合存储短生命周期的小型数据，如下所示：
    • ① 局部变量。
    • ② 函数参数。
    • ③ 返回地址。
    • ④ 临时变量。
    • ...

1.4 栈区 VS 堆区 ​

  • 栈区 VS 堆区，如下所示：
特性栈区堆区
内存分配方式自动分配与释放程序员手动分配与释放（或垃圾回收）
生命周期局部，随着函数调用结束自动释放根据程序员需求，生命周期灵活
内存大小固定，通常较小动态分配，理论上较大
访问速度快（栈指针调整）慢（需要查找空闲块）
存储内容局部变量、函数参数、返回地址等动态分配的数据结构、大型对象等
线程安全线程私有线程共享，需注意同步
内存碎片问题无明显碎片容易出现内存碎片

注意

  • ① 尽管堆区提供了灵活的内存管理方式，但也需要程序员小心处理内存分配与释放，防止内存泄漏和碎片化等问题。
  • ② 在现代编程语言中，垃圾回收机制可以减轻程序员的内存管理负担，但对堆内存的操作仍然比栈区更复杂且开销较大。
  • ③ 彼之蜜饯，吾之砒霜：合理地结合栈和堆的使用，我们能够设计出既高效又灵活的应用程序。在这个过程中，理解每种内存区域的特性及其最佳应用场景是至关重要的。

第二章：C 语言中的动态内存分配（⭐） ​

2.1 概述 ​

  • 动态内存分配在 C 语言编程中有着举足轻重的地位，因为它是链式结构的基础。我们可以将动态分配的内存链接在一起，形成链表、树、图等灵活的数据类型。
  • 虽然动态内存分配适用于所有的数据类型，但是其主要的应用场景是字符串、数组和结构体中。其中，动态分配的结构体是最值得关注的，因为它可以被链接成链接、树和其它的数据结构。

注意

  • ① 一般来说，如果没有特殊需求，不要在堆上为基本数据类型动态分配内存。
  • ② 在实际开发中，一般也没有必要，在堆上为基本数据类型动态分配内存。

2.2 CLion 整合 Valgrind（必做） ​

  • C 语言中的指针是否使用是个颇具争议的话题，现代化的高级编程语言通过各种策略和机制，在编译期就能解决指针危险的问题。但是，遗憾的是，C 语言的指针很大程度上，在运行期才会暴露问题。
  • 幸运的是，我们可以使用 Valgrind 项目来进行内存泄漏检测，而 Valgrind 只支持 Linux 。

提醒

点我查看
  • ① CLion 整合 Valgrind。
  • ② 在使用 C 语言开发项目的时候，尤其是涉及到动态内存分配，很容易引起内存溢出或未定义行为等，强烈建议在 CLion 中调用 Valgrind 进行项目开发。

2.3 通用指针类型 ​

2.3.1 概述 ​

  • 在 C 语言中，通用指针类型就是 void *类型的指针。

2.3.2 特点 ​

  • ① 类型无关，赋值灵活：由于指针本质上是一个存储内存地址的变量，而内存地址是没有类型的（unsigned int，即：无符号整数）；所以，void * 指针可以存储任何类型的地址，并指向任意类型的对象。

提醒

  • ① 在底层实现上，指针实际上只存储内存地址，不管指针的具体类型是什么，指针变量的值都是内存地址（unsigned int，即：无符号整数），例如：一个 int*类型的指针和一个 double*类型的指针在底层的存储都是一样，二者之间的区别在于：
    • 编译器根据指针类型推断数据类型，从而决定指针在解引用的时候如何解释内存中的数据。
    • 指针的算术操作（加减）依赖数据类型，决定指针步长的大小。
  • ② void * 指针去除了指针的“类型约束”，只保留了指针的通用特性——存储内存地址。
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    double d = 20;
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};

    void *p = NULL;

    // 通用指针类型可以存储任意类型的地址，指向任意类型的对象
    p = &a;
    p = arr;
    p = &arr;
    p = &d;
    
    return 0;
}
  • ② 不支持类型安全检查：void* 跳过了编译器的类型检查机制，这意味着程序员需要手动确保类型的正确性，稍有不慎可能导致类型错误或程序崩溃。
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    double d = 3.14;
    void *p = &d;
    // 强制转换为错误类型，可能引发未定义行为
    int *int_ptr = (int *)p;
    
    return 0;
}
  • ③ 无法直接解引用：由于 void * 并未定义指向的具体数据类型，无法直接对其进行解引用操作。若要解引用，必须将其强制类型转换为具体的数据类型。
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    void *ptr = &a;
    // 错误，无法解引用 void *
    printf("%d\n", *ptr);

    return 0;
}
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int a = 10;
    void *ptr = &a;
    // 强制转换为 int 类型指针
    int *int_ptr = (int *)ptr;
    printf("%d", *int_ptr);

    return 0;
}
  • ④ 无法执行指针运算：由于 void * 类型的大小未定义，不能对其进行指针运算（加减操作）。若需要指针运算，必须先将其强制转换为具体类型的指针。
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    void *ptr = arr + 1;
    // 错误
    ptr++;
  
    return 0;
}
c
#include <stdio.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    void *ptr = arr + 1;
    // 强制转换为 int 类型指针
    int *int_ptr = (int *)ptr;
    printf("%d", *int_ptr);    // 2

    return 0;
}

2.3.3 为什么要设计通用指针类型？ ​

  • ① 动态内存分配：malloc、calloc 返回 void *，方便程序员动态管理各种类型的数据。

提醒

点我查看
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * 10);
    
     if (p == NULL) {
        printf("Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 输出数组中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d\n", p[i]);
    }

    free(p);

    return 0;
}
  • ② 通用数据结构：链表、栈、队列等，可以存储不同类型的数据。

提醒

点我查看
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 定义链表节点
typedef struct Node {
    void *data;             // 使用 void * 存储任意类型的数据
    struct Node *next;
} Node;

// 创建新节点
Node *createNode(void *data) {
    Node *newNode = (Node *)malloc(sizeof(Node));
    newNode->data = data;
    newNode->next = NULL;
    return newNode;
}

// 遍历链表
void printIntList(Node *head) {
    Node *current = head;
    while (current != NULL) {
        printf("%d -> ", *(int *)current->data);
        current = current->next;
    }
    printf("NULL\n");
}

int main() {
    
    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);
    
    int a = 10, b = 20, c = 30;

    // 创建链表
    Node *head = createNode(&a);
    head->next = createNode(&b);
    head->next->next = createNode(&c);

    // 打印链表
    printIntList(head);

    // 释放内存
    Node *current = head;
    while (current != NULL) {
        Node *temp = current;
        current = current->next;
        free(temp);
    }

    return 0;
}
  • ③ 通用函数接口：标准库的 qsort，使用 void * 实现类型无关的比较操作。

提醒

点我查看
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

// 比较函数
int compare(const void *a, const void *b) {
    return (*(int *)a - *(int *)b);
}

int main() {
    
    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);
    
    int arr[] = {42, 8, 23, 16, 15, 4};
    size_t size = sizeof(arr) / sizeof(arr[0]);

    // 使用 qsort 排序
    qsort(arr, size, sizeof(int), compare);

    // 打印排序后的数组
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    return 0;
}

2.4 动态内存分配函数的介绍 ​

  • 在 C 语言中，要想在堆上进行动态内存分配，主要依赖于以下的函数，其都在头文件<stdlib.h> 中，如下所示：
c
void *malloc (size_t size);
c
void *calloc (size_t num, size_t size);
c
void *realloc (void *ptr, size_t size);
  • 在 C 语言中，为了避免内存泄漏，在确定动态分配的内存不再使用后，要及时调用 free 函数释放它，其也在头文件<stdlib.h> 中，如下所示：
c
void free (void *ptr);

2.5 内存分配函数 malloc ​

2.5.1 概述 ​

  • malloc函数的方法声明：
c
void *malloc (size_t size);

提醒

  • ① malloc 的全称是 memory allocation，其中文含义就是内存分配。
  • ② 该函数会在堆空间分配一片连续，以 size 个字节大小的连续空间。
  • ③ 此函数不会对堆空间分配的内存块的数据进行初始化；换言之，此函数在堆空间内存块中的数据是随机的、未定义的。
  • ④ 如果分配成功，此函数会返回指向堆空间内存块地址（首字节）地址的指针。
    • 返回的指针类型是 void*，在使用之前需要进行强转。
    • 如果分配的是一个数组内存空间，我们可以利用返回值指针进行数组操作。
    • 如果分配的是一个结构体内存精简，我们可以利用返回值指针进行结构体操作。
  • ⑤ 如果分配失败，此函数将会返回一个空指针（NULL）。

2.5.2 应用示例 ​

  • 需求：使用 malloc 函数在堆中开辟长度为 10 的 int 数组，进行初始化并输出数组中的元素。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 输出数组中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.5.3 应用示例 ​

  • 需求：使用 malloc 函数在堆中开辟 10 个 Student 结构体变量，进行初始化并输出每个结构体变量中的元素。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define LEN 10

typedef struct Student {
    int id;
    char name[20];
    int age;
} Student;

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个 10 个结构体变量
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    Student *p = (Student *)malloc(sizeof(Student) * LEN);

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i].id = i;
        snprintf(p[i].name, sizeof(p[i].name), "C-%d", i); // 将 i 转为字符串
        p[i].age = i + 18;
    }

    // 输出结构体中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("id=%d，姓名=%s，年龄=%d\n", p[i].id, p[i].name, p[i].age);
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.5.4 不要使用数组类型接收 malloc 等函数的返回值 ​

  • 在实际开发中，我们会经常使用 malloc、calloc 或 realloc 等函数在堆中创建数组；但是，可能有些人会想当然的使用数组类型来接收，如下所示：
c
// 错误！使用数组类型接收 malloc 等函数的返回值
int arr[] = malloc(4 * sizeof(int));
c
// 错误！使用数组类型接收 malloc 等函数的返回值
int arr[4] = malloc(4 * sizeof(int));
  • 上述的做法，是不对的，在 C 语言中是不会编译通过的，会直接报错，如下所示：
  • 正确的做法，应该使用对应的数据类型的指针来接收（强制类型转换）：
c
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

提醒

点我查看 原因
  • ① 在 C 语言中，数组类型的长度必须是在编译的时候确定，数组名在声明的时候就和栈区的一块内存绑定，如下所示：
c
// 在栈区开辟 4 个 int 大小的数组
int arr[4] = {1,2};
c
// 由系统推断出数组的大小，还是在栈区开辟 4 个 int 大小的数组
int arr[] = {1,2,3,4};
  • ② 在 C 语言中，malloc 是在运行的时候动态分配内存的，数组类型的变量显然不能接收 malloc 函数的返回值，只能通过指针类型来接收，如下所示：
c
// 错误！使用数组类型接收 malloc 等函数的返回值
int arr[] = malloc(4 * sizeof(int));
c
// 错误！使用数组类型接收 malloc 等函数的返回值
int arr[4] = malloc(4 * sizeof(int));
c
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

重要

在使用动态内存分配函数的时候，不要考虑其它的类型，记住使用指针类型即可。

2.6 内存清理函数 free ​

2.6.1 概述 ​

  • free函数的方法声明：
c
void free (void *ptr);

提醒

  • ① 为了避免内存泄漏，在确定动态分配的内存不再使用之后，需要及时的调用 free 函数释放它，这是非常重要的。
  • ② 参数必须是堆上申请内存块的地址(首字节地址)，不能传递别的指针，否则会引发未定义行为。
  • ③ free 函数的行为，如下所示：
    • free 函数并不会修改它所释放的内存区域中存储的任何数据，free 的作用仅仅是告诉操作系统这块内存不再被使用了，可以将其标记为可用状态，以供将来的内存分配请求使用。
    • 释放后的内存区域中的数据一般仍然会继续存在，直到被下一次的内存分配操作覆盖。当然即便 free 前的原始数据一直存在未被覆盖，这片内存区域也不再可用了，因为你不知道什么时候数据就会被覆盖掉了。
    • free 函数不会修改传入指针指向的内容，更不会对实参指针本身做任何修改。

2.6.2 应用示例 ​

  • 需求：使用 malloc 函数在堆中开辟长度为 10 的 int 数组，进行初始化并输出数组中的元素。当数组不再使用的时候，需释放堆中对应的内存空间。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN); 

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i] = i;
    }

    // 输出数组中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.6.3 传递 NULL 指针 ​

  • 如果 ptr 是 NULL，free 函数不会执行任何操作，也不会导致程序崩溃。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    int *ptr = NULL;

    // 安全，无需担心崩溃
    free(ptr);

    int num = 10;
    printf("num = %d\n", num); // num = 10

    return 0;
}

2.6.4 尽量不要移动原始指针 ​

  • free 函数需要传递指向堆上动态分配内存的内存块的指针，不会乱传一个指向栈区或数据段数据的指针。

注意

free 函数需要的指针是指向分配内存块首字节地址的指针，不能是其余字节的指针！！！

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        // 这边其实 p 已经移动了
        *p++ = i;
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}
  • 最新版本的 GCC，针对这种情况，会报 invalid pointer 错误，如下所示：

建议

尽量不要移动指向堆中内存块的原始指针，如果实在有移动指针的必要，可以创建一个副本指针来移动。

  • 创建一个副本指针，来修正上述的问题，如下所示：
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 定义一个临时指针用于移动指针操作
    int *tmp = p;
    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *tmp++ = i;
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.6.5 不要两次 free 同一片内存区域 ​

  • C 语言标准规定，动态分配内存的内存块可以手动 free 一次表明它不再被使用，但不能进行 "double free"，这将导致未定义行为。
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("malloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // 定义一个临时指针用于移动指针操作
    int *tmp = p;
    // malloc 并不会初始化内存空间，需要手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        *tmp++ = i;
    }

    // 释放内存
    free(p);
    free(p);

    return 0;
}
  • 最新版本的 GCC，针对这种情况，会报 double free detected in tcache 2 错误，如下所示：

提醒

点我查看 如何避免重复释放？
  • ① 使用 Valgrind 等工具来检测内存问题，包括：重复释放和未释放的内存。
  • ② 释放内存后，及时将指针显示的设置为 NULL，因为 free(NULL) 是合法操作，且不会引发任何问题。
c
free(p);
p = NULL;  // 避免悬空指针和重复释放

2.6.6 悬空指针 ​

  • free 函数调用后，指针所指向的内存块就被释放了；但是，free 函数不会改变传入的实参本身，因为参数类型是 void *。
  • free 后的实参指针就变为了指向一片已释放区域的指针，即：悬空指针（悬空指针就是野指针，使用悬空指针会引发未定义行为）。
c
int *p = (int *)malloc(sizeof(int) * ARR_LEN);

// 释放内存
free(p);

// free 之后的 p 就是一个悬空指针
for (int i = 0; i < 10; i++) {
    p[i] = i;
}

提醒

点我查看 如何解决悬空指针？
  • ① 使用 Valgrind 等工具来检测内存问题，包括：重复释放和未释放的内存。
  • ② 释放内存后，及时将指针显示的设置为 NULL，因为 free(NULL) 是合法操作，且不会引发任何问题。
c
free(p);
p = NULL;  // 避免悬空指针和重复释放
  • 其实，在一个函数内部进行内存管理是比较容易的；但是，如果悬空指针出现在多个函数中，就会比较难以排查，如下所示：
c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void freeMemory(int* p) {
    free(p); // 内存被释放
}

void useMemory(int* p) {
    *p = 42; // 使用已释放的内存
    printf("Value: %d\n", *p);
}

int main() {
    int* ptr = malloc(sizeof(int));
    *ptr = 10;

    freeMemory(ptr);  // 在此释放内存
    useMemory(ptr);   // 再次使用，导致悬空指针问题

    return 0;
}

提醒

点我查看 如何解决悬空指针？
  • ① 使用 Valgrind 等工具来检测内存问题，包括：重复释放和未释放的内存。
  • ② 释放内存后，及时将指针显示的设置为 NULL，因为 free(NULL) 是合法操作，且不会引发任何问题。
c
free(p);
p = NULL;  // 避免悬空指针和重复释放
  • ③ 只让一个函数，用来进行内存清理工作，如下所示：
c
typedef int E;

typedef struct {
    // 元素
    E *elements;
    // 实际需要存放的元素个数
    int size;
    // 数组容量，即：数组中可以存放元素个数
    int capacity;
} Vector;

// 初始化
Vector *vector_create();

// 销毁
void vector_destroy(Vector *vector);

2.6.7 避免不可到达的区域 ​

  • 有的时候，不可达到区域导致的内存泄漏更加严重（和忘记 free 导致的内存泄漏相比），如下所示：
c
p = malloc(xxxx);
q = malloc(xxxx);

p = q;
  • 将指针变量 q 赋值给指针变量 q ，这样指针变量 p 和指针变量 q 都会指向同一块内存，这也会导致 p 指向的内存块再也无法访问，即：内存泄露。
  • 所以，如果在程序中需要给指向分配内存块的指针赋值，应该先进行 free 再赋值，如下所示：
c
p = malloc(xxxx);
q = malloc(xxxx);

free(p);

p = q;
  • 此时，程序中就不会出现内存泄漏了，因为 p 原本指向的内存区域已经被释放了。

提醒

对一个指向堆区的指针，在修改它的指向前，需要考虑是否需要 free，以避免内存泄漏。

2.6.8 总结 ​

  • 手动管理内存实在是太复杂了，针对 C 语言手动分配内存以及释放内存，给出如下建议：

建议

  • ① 正确传参 free 函数：free 函数需要传入指向动态分配内存块首字节的指针，free 之前不妨检查指针是否已被移动。
  • ② 在 free 内存块后，建议立刻将指针设置为 NULL：
    • 避免了double free的风险：对空指针调用free 函数是安全的，它不会有任何效果。
    • 减少悬空指针出现的风险：解引用空指针导致程序崩溃，比悬空指针带来的未定义行为要更容易检测和修正。
  • ③ 慎重改变堆区指针的指向：指向堆区域的指针，如果需要改变它的指向，在改变之前应当考虑指向的内存块是否需要 free。
  • ④ 多函数共同管理同一块内存区域时，应严格遵循单一原则：哪个函数用于分配内存，哪个函数用于 free 释放内存，这两个函数一定要明确单一的职责。
  • 也正是因为手动管理内存的复杂性，在 C 之后的很多语言，如：Java 、Go、Python 等，都内置了 GC ，来帮助程序员管理内存。

2.7 清零内存分配函数 calloc ​

2.7.1 概述 ​

  • calloc函数的方法声明：
c
void *calloc (size_t num, size_t size);

提醒

  • ① calloc 的全称是 clear allocation，其中文含义就是内存分配时自动初始化 0 值。
  • ② 参数 num 表示分配的元素的数量，而参数 size 表示每个元素的内存大小。
  • ③ 该函数会在堆空间分配一片连续，以 size * num 个字节大小的连续空间。
  • ④ calloc 和 malloc 最大的不同就在于其会将分配的内存初始化为 0 ，这意味着其不仅仅分配内存，还会清零所有内存。
  • ⑤ 如果分配成功，此函数会返回指向堆空间内存块地址（首字节）地址的指针。
    • 返回的指针类型是 void*，在使用之前需要进行强转。
    • 如果分配的是一个数组内存空间，我们可以利用返回值指针进行数组操作。
    • 如果分配的是一个结构体内存精简，我们可以利用返回值指针进行结构体操作。
  • ⑥ 如果分配失败，此函数将会返回一个空指针（NULL）。

建议

在使用动态内存分配函数在堆中开启内存空间时，如果需要将对应的内存空间初始化为 0 ，推荐使用 calloc 函数，因为其比 malloc 更加安全！！！

2.7.2 应用示例 ​

  • 需求：使用 calloc 函数在堆中开辟长度为 10 的 int 数组，并输出数组中的元素。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define ARR_LEN 10
int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, nullptr);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    // 如果成功，malloc 将会返回一个指向该内存的指针
    int *p = (int *)calloc(ARR_LEN, sizeof(int));

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("calloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // calloc 会自动清零，输出数组中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }

    // 手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i] = i;
    }

    printf("\n");

    // 输出数组中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%d ", p[i]);
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.7.3 应用示例 ​

  • 需求：使用 calloc 函数在堆中开辟 10 个 Student 结构体变量，进行初始化并输出每个结构体变量中的元素。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>

#define LEN 10

typedef struct Student {
    int id;
    char name[20];
    int age;
} Student;

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, NULL);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个 10 个结构体变量
    // 如果成功，calloc 将会返回一个指向该内存的指针
    Student *p = (Student *)calloc(LEN, sizeof(Student));

    // 检测分配是否成功
    if (p == NULL) {
        printf("calloc failed\n");
        exit(EXIT_FAILURE);
    }

    // calloc 会初始化内存空间，输出结构体中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("id=%d，姓名=%s，年龄=%d\n", p[i].id, p[i].name, p[i].age);
    }

    printf("\n");

    // 手动初始化
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        p[i].id = i;
        snprintf(p[i].name, sizeof(p[i].name), "C-%d", i); // 将 i 转为字符串
        p[i].age = i + 18;
    }

    // 输出结构体中的元素
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        printf("id=%d，姓名=%s，年龄=%d\n", p[i].id, p[i].name, p[i].age);
    }

    // 释放内存
    free(p);

    return 0;
}

2.7.4 malloc VS calloc ​

  • 相同点：都可以在堆上进行内存分配。
  • 不同点：
    • ① malloc 性能更好：malloc 由于不需要初始化 0 值，性能可能会更好一点，如果特别在意性能以及内存确实需要手动初始化的时候，优先使用 malloc 函数。
    • ② calloc 更加安全：如果使用 malloc 函数在堆上进行内存分配，那么内存块中的所有元素都是随机值、未定义的，如果忘记直接使用这些随机值将会产生未定义行为，非常危险。但是，如果使用 calloc 函数并不会产生未定义行为。

重要

  • ① malloc、calloc 和 realloc 中，只有calloc会自动初始化 0 值，其余函数均不会自动初始化 0 值。
  • ② 在实际开发中，如果当程序安全和正确性是首要考虑时，推荐使用calloc函数，因为其更加安全！！！

2.8 内存重新分配函数 realloc ​

2.8.1 概述 ​

  • realloc函数的方法声明：
c
void *realloc (void *ptr, size_t new_size);

提醒

  • ① realloc的全称是 reallocation，其中文含义就是重新分配内存，即：经常应用于动态扩容和缩容的场景。
  • ② 参数 ptr 指向原先已分配的内存块，而参数 new_size 表示新的内存块大小。
  • ③ 该函数根据参数的取值不同，可能会有 malloc 和 free 的行为（实际开发中，不会有此应用场景）：
    • 如果 ptr 指针是一个空指针，那么该函数的行为和 malloc 一致，即：分配 new_size 字节的内存空间，并且返回该内存块的首字节指针。
    • 如果 new_size 的取值为 0 ，那么该函数的行为和 free 一致，会释放 ptr 指向的内存块。
  • ④ 如果没有上述的两种情况，那么 realloc 就用于重新调整已分配内存块的大小，即：ptr 指针指向的已分配内存块的大小。
    • 当 new_size 的取值和 ptr 指针指向的已分配内存块的大小一致的时候，并不会做任何操作。
    • 当 new_size 的取值比 ptr 指针指向的已分配内存块小的时候（新内存块小于旧内存块），会在旧内存块的尾部（高地址）进行截取，被截断抛弃的内存块会被自动释放。
    • 当 new_size 的取值比 ptr 指针指向的已分配内存块大的时候（新内存块大于旧内存块），会尽可能地在原地扩大旧内存块，即：原地扩容（效率高）。但是，如果无法进行原地扩容，那么就会在别处申请空间分配 new_size 大小的新内存块，并将旧内存块中的数据全部复制到新内存块，将旧内存块自动释放。
    • 不管采取那种方式进行新内存块的扩容，新扩容部分的内存区域都不会进行初始化，都是随机值、未定义。
  • ⑤ 如果 realloc 函数分配内存空间成功，它会返回指向新内存块的指针；若失败，仍会返回空指针，且不会改变旧内存块。

2.8.2 realloc 内存重新分配机制解析 ​

  • ① 当 new_size 的取值比 ptr 指针指向的已分配内存块小的时候（新内存块小于旧内存块），会在旧内存块的尾部（高地址）进行截取，被截断抛弃的内存块会被自动释放。

提醒

点我查看 为什么会截取高地址？
  • ① 如果截取的是低地址，那么当我们进行free的时候，将会出现invalid pointer错误，因为free的原则之一：尽量不要移动原始指针。
  • ② 如果截取的是高地址，那么当我们进行free的时候，因为原始指针没有移动，不会出现错误。
  • ② 当new_size的取值比ptr指针指向的已分配内存块大的时候（新内存块大于旧内存块），会尽可能地在原地扩大旧内存块，即：原地扩容（效率高）。
  • ③ 当new_size的取值比ptr指针指向的已分配内存块大的时候（新内存块大于旧内存块），如果无法进行原地扩容，那么就会在别处申请空间分配new_size大小的新内存块，并将旧内存块中的数据全部复制到新内存块，将旧内存块自动释放。

2.8.3 realloc 函数的正确使用姿势 ​

  • 如果我们使用malloc或calloc在堆区申请一块内存空间，如下所示：
c
int len = 5;
int* p = (int*)malloc(len * sizeof(int));

// 分配失败
if(p == NULL){
    printf("malloc ERROR\n");
    exit(1);
}

// 到这里，p 指针一定不是空指针
  • 于是，我们使用了realloc进行扩容，可能会这么写，如下所示：
c
len = 10;
realloc(p,len);
  • 这是一个扩容的过程，如果是原地扩容，这个代码并没有什么毛病，如下所示：
  • 这是一个扩容的过程，如果不是原地扩容，那么p指针就指向了一个已经被释放内存的区域，即：悬空指针，如下所示：
  • 此时，我们可以使用p指针来接收realloc函数的返回值，这样就没有悬空指针的问题了，如下所示：
c
len = 10;
p = (int*)realloc(p,len * sizeof(int));
  • 如果realloc分配成功，皆大欢喜，没有悬空指针的问题，如下所示：
  • 如果realloc分配失败，realloc就返回NULL，而p指针指向NULL，是没有什么问题的；但是，原先 p 指针所指向的旧内存块就成为了一片永远无法到达的区域（垃圾），从而造成内存泄漏！！！
  • 终极解决方案：使用一个临时指针来接收realloc函数的返回值，判断是否分配成功，如果分配成功，再将临时指针赋值给p指针，如下所示：
c
len = 10;
int* tmp = (int*)realloc(p,len * sizeof(int));
// 分配失败
if(tmp == NULL){
    printf("realloc ERROR\n");
    exit(1);
}

// 到这里一定是分配成功的
p = tmp; // 既避免了`p`成为一个悬空指针，也避免了因为`realloc`分配失败导致内存泄漏。

2.8.4 应用示例 ​

  • 需求：使用realloc函数进行正确的扩缩容。

  • 示例：

c
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#define LEN 10
#define SMALL_SIZE 3
#define BIG_SIZE 13

void print_arr(int *arr, int len) {
    printf("[");
    for (size_t i = 0; i < len; i++) {
        printf("%d, ", *arr++);
    }
    printf("\b\b]\n");
}

int main() {

    // 禁用 stdout 缓冲区
    setbuf(stdout, NULL);

    // 使用 malloc 函数在堆上申请内存，创建一个长度为 10 的数组
    int *arr = (int *)malloc(LEN * sizeof(int));

    // 检测分配是否成功
    if (arr == NULL) {
        printf("Failed to allocate memory.\n");
        exit(1);
    }

    // 初始化
    for (int i = 0; i < LEN; i++) {
        arr[i] = i;
    }

    // 打印数组中的元素
    print_arr(arr, LEN);

    // 缩容
    int *tmp = (int *)realloc(arr, SMALL_SIZE * sizeof(int));

    // 检测分配是否成功
    if (tmp == NULL) {
        printf("Failed to reallocate memory.\n");
        exit(1);
    }

    // 更新指针
    arr = tmp;

    // 打印数组中的元素
    print_arr(arr, SMALL_SIZE);

    // 扩容
    tmp = (int *)realloc(arr, BIG_SIZE * sizeof(int));

    // 检测分配是否成功
    if (tmp == NULL) {
        printf("Failed to reallocate memory.\n");
        exit(1);
    }

    // 更新指针
    arr = tmp;

    // 初始化新扩容的区域
    for (int i = LEN; i < BIG_SIZE; i++) {
        arr[i] = i;
    }

    // 打印数组中的元素
    print_arr(arr, BIG_SIZE);

    // 释放内存
    free(arr);

    return 0;
}

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