C语言-入门-内存管理(二十)

柔光的暖阳◎ 2023-10-02 20:38 13阅读 0赞

![在这里插入图片描述][68e7b0cf18a04a7cab60df829cf7797f.png]

### 什么是进程 ###

程序，是经源码编译后的可执行文件，可执行文件可以多次被执行，比如我们可以多次打开 office。而进程，是程序加载到内存后开始执行，至执行结束，这样一段时间概念，多次打开的wps,每打开一次都是一个进程，当我们每关闭一个 office，则表示该进程结束。

### 内存空间布局 ###

有了进程和程序的概念以后，我们再来看一下，程序被加载到内存以后内存空间布局是什么样的  
![在这里插入图片描述][2f384a483ecf4dfab6f6280545e0c38f.png]  
![在这里插入图片描述][6a0ba740cfa743ec94324ce283e82267.png]  
总体来讲说，程序源代码被编译之后主要分成两种段：程序指令和程序数据。代码区属于存放程序指令，常量区、全局数据区、堆区、栈区属于存放程序数据。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，大小固定，只能等到程序运行结束后由操作系统收回。**栈区、堆区在程序运行时动态开辟。堆需要手动释放**

### 栈内存(Stack) ###

*  栈中存放任意类型的变量，即自动类型的局部变量， 随用随开，用完即消。
 *  内存的分配和销毁系统自动完成，不需要人工干预
 *  栈的最大尺寸固定，超出则引起栈溢出(局部变量过多，过大 或 递归层数太多等就会导致栈溢出)

int ages[10240*10240]; // 程序会崩溃, 栈溢出

![在这里插入图片描述][091ddfe86d1942baa7646a6c14994236.png]

### 堆内存(Heap) ###

*  堆内存可以存放任意类型的数据，但需要自己申请与释放
 *  大小，想像中的无穷大，但实际使用中，受限于实际内存的大小和内存是否连续性

![在这里插入图片描述][085781aa01ac49f1a0f8e303b9661e90.png]

#### malloc和free函数 ####

通过malloc申请的存储空间一定要释放, 所以malloc和free函数总是成对出现  
**malloc函数**  
![在这里插入图片描述][267f777fa6314747a439e5cb2ac0522d.png]  
**free函数**  
![在这里插入图片描述][d53ca47a464d4eeea1bb41136b88c671.png]

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    int main()
    {
        
        // 1.申请1块4字节的存储空间
        int *p = (int *)malloc(sizeof(int));
        // 2.初始化4个字节存储空间为0
        memset(p, 0, sizeof(int));
        // 3.释放申请的存储空间
        free(p);
        return 0;
    }

free()到底释放了什么? free释放的是指针指向的内存！注意！释放的是内存，不是指针！这点非常非常重要！指针是一个变量，只有程序结束时才被销毁。free释放了内存空间后，原来指向这块空间的指针还是存在！只不过现在指针指向的内容的垃圾，是未定义的，所以说是垃圾。因此释放内存后把指针指向NULL，防止指针在后面不小心又被解引用了,导致未知的问题发生。非常重要啊这一点！

注意: free只能释放malloc(或calloc、realloc)函数分配的内存；而其他变量的内存不能释放,比如手动定义一个`char *str="hhh"` 这种变量是系统会给我们释放的,无须我们去管理

为了避免释放已经释放了内存的指针内存，或没有释放内存，在C语言中最好是在定义指针时赋初值NULL，释放后立即赋NULL，释放时检查指针值再决定释放就避免释放错误了，例如：`if(a != NULL) {free(a);a=NULL;}`

在上面我们还用到一个函数`memset(指针,0,数据大小)` 这个函数可以说是初始化内存的“万能函数”，通常为新申请的内存进行批量初始化工作。它是直接操作内存空间，而且**通常是给数组或结构体进行批量初始化**。一般的变量如`char、int、float、double` 等类型的变量直接`*p=0`初始化即可，没有必要用 memset。如果用 memset 的话反而显得麻烦

**小提示:** 手动创建变量的内存不释放不要紧 ,只要不是在内存要求非常严格的平台上(单片机,硬件芯片等),前提是不要太多总量100M以内都是可以接受的, 而市面上应用绝大部分占用内存总大小也不到500M~1G,现在家用电脑最低都6G内存以上所以我们在操作变量内存的时候**没有把握变量在后面代码中不在使用了,那么就不要随便释放变量的内存**,否则就会导致程序崩溃,访问以释放内存的变量了,当然在很多人而言这样的理念是不可以有的,但是在我看来使用空间换时间并且代价也不大的情况下是非常划算的,当整个功能或者应用都彻底开发完毕而且经过测试后没问题在进行优化这样不比在开发阶段就细扣内存强很多吗? ,而且在很多时候太细扣内存了会导致开发的效率非常慢,因为会出现大量因为内存提前释放导致的BUG,随着程序不断的庞大排查的难度也是不断的增高,很多时候一个BUG解决几个小时甚至更多

#### calloc函数 ####

和malloc一样，但可以初始化内存空间都为0值(NULL) ,会稍微比malloc慢点, 但是我还是建议使用calloc而不是malloc这样会避免后期因为没有初始化部分内存导致在访问或者操作不当时候导致系统崩溃  
![在这里插入图片描述][7904a6beac304855bfb0d4ee3053d201.png]

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    int main(int argc, char* argv[])
    {
        
        // 1.申请4块,4个字节的存储空间
        int *p = calloc(4, sizeof(int));
        printf("%d",*p);
        // 3.释放申请的存储空间
        free(p);
        return 0;
    }

#### realloc函数 ####

基于现有空间进行扩容或者缩小,利用这一特性可以完成数组动态扩容,虽然我们使用calloc或者malloc然后进行数据复制也能实现,但是使用realloc会比我们自己进行扩容和数据复制要快很多  
![在这里插入图片描述][39ac1af2e415440f982e3342b8aa1192.png]

> **注意事项:**
> 
>  *  若参数ptr==NULL，则该函数等同于 malloc
>  *  返回的指针，可能与 ptr 的值相同，也有可能不同。若相同，则说明在原空间后面申请，否则，则可能后续空间不足，重新申请的新的连续空间，原数据拷贝到新空间， 原有空间自动释放

> **realloc的扩容原理:**  
> 原内存20字节,然后我们在原来内存基础上进行扩容到25,定义方式为: `char *str = (char *) realloc(p,25);`  
> realloc会在原来内存的基础上进行扩容,此刻realloc内存=原内存(20)+扩容内存(5),如果原来的内存后没有足够多剩余内存的,realloc将会在申请新的内存,然后把原来内存的数据复制到新内存中, 然后realloc会自动把原来内存给释放掉, 然后realloc会返回新的内存地址,所有这里要提醒大家在使用的时候一定不要手贱在使用realloc后去释原来的内存,那么这样就会导致释放的是realloc开辟的内存,最后导致系统崩溃

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    int main()
    {
        
        // 1.申请4个字节存储空间
        int *p = NULL;
        p = realloc(p, sizeof(int)); // 此时等同于malloc
        // 2.使用申请好的空间
        *p = 666;
        printf("*p = %i\n",  *p);
        // 3.释放空间
        free(p);
    
        return 0;
    }

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    int main()
    {
        
        // 1.申请4个字节存储空间
        int *p = malloc(sizeof(int));
        printf("p = %p\n", p);
        // 如果能在传入存储空间地址后面扩容, 返回传入存储空间地址
        // 如果不能在传入存储空间地址后面扩容, 返回一个新的存储空间地址
        p = realloc(p, sizeof(int) * 2);
        printf("p = %p\n", p);
        // 2.使用申请好的空间
        *p = 666;
        printf("*p = %i\n",  *p);
        // 3.释放空间
        free(p);
    
        return 0;
    }

#### 动态分配内存 ####

编程时，如果您预先知道数组的大小，那么定义数组时就比较容易。例如，一个存储人名的数组，它最多容纳 100 个字符，所以您可以定义数组，如： `char name[100];`

但是，如果您预先不知道需要存储的文本长度，例如您想存储有关一个主题的详细描述。在这里，我们需要定义一个指针，该指针指向未定义所需内存大小的字符，后续再根据需求来分配内存，如下所示：

#include <stdio.h>
    #include <stdlib.h>
    #include <string.h>
    
    
    int main(int argc, char *argv[]) {
        
        char *description;
        /* 分配30字节的内存 */
        description = (char *) malloc(30 * sizeof(char));
        if (description == NULL) {
        
            fprintf(stderr, "Error - unable to allocate required memory\n");
        } else {
        
            strcpy(description, "Zara ali a DPS student.");
        }
        /* 假设您想要存储更大的描述信息,那么我们将description内存大小进行动态调整为100字节大小 */
        description = (char *) realloc(description, 100 * sizeof(char));
        if (description == NULL) {
        
            fprintf(stderr, "Error - unable to allocate required memory\n");
        } else {
        
            //拼接字符串
            strcat(description, "She is in class 10th");
        }
    
        printf("Description: %s\n", description);
    
        /* 使用 free() 函数释放内存 */
        free(description);
        return 0;
    }

您可以尝试一下不重新分配额外的内存，strcat() 函数会生成一个错误，因为存储 description 时可用的内存不足。

如果想看更高级的用法可以看我博客里这篇文章`C语言-数据结构-单向链表`

### 获取内存分配的大小\_msize函数 ###

char *pc=(char *) calloc(10,sizeof(char*));
        unsigned  int n = _msize(pc) / sizeof(char*);
        printf("%d",n);//10

### memcpy和memmove(内存复制) ###

memcpy()和memmove()都是c语言的库函数，在头文件string.h中，作用是拷贝一定长度内存的内容。它们唯一的区别是当内存发生局部重叠时，memmove可以保证拷贝正确，memcpy拷贝的结果是不确定的。

内存发生局部重叠啥意思?

![在这里插入图片描述][d3cbe340b6ae421a8d4b73ea66d774d3.png]  
如果使用memcpy那么重叠的区域可能不生效,也就是数据没有替换,而memmove可以保证数据替换成功,如果不涉及到覆盖的场景那么使用memcpy效率会比较高

/*
    str1 -- 指向用于存储复制内容的目标数组，类型强制转换为 void* 指针。
    str2 -- 指向要复制的数据源，类型强制转换为 void* 指针。
    n -- 要被复制的字节数。
    */
    void *memmove(void *str1, const void *str2, size_t n)

/*
    str1 -- 指向用于存储复制内容的目标数组，类型强制转换为 void* 指针。
    str2 -- 指向要复制的数据源，类型强制转换为 void* 指针。
    n -- 要被复制的字节数。
    */
    void *memcpy(void *str1, const void *str2, size_t n)

列:

const char src[50] = "3456";
        char dest[50]= "123456";
        memmove(&dest[2], src, strlen(src) + 1);
        printf("dest = %s\n", dest); // dest = 123456

const char src[50] = "123456789";
        char dest[50]= "abcdefg";
        memcpy(&dest[2], src, strlen(src) + 1);
        // dest = ab123456789   因为涉及到覆盖,会导致重叠的部分,覆盖失败结果为dest = abcdefg6789 所以涉及到覆盖的场景建议使用memmove
        printf("dest = %s\n", dest);

![在这里插入图片描述][241d60d901ab468c8532f2a2d4413093.gif]

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