C-堆内存

合集 - C知识点(9)

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5.C-堆内存2023-09-05

6.C-字符串2023-09-067.C-宏 2023-09-078.C-文件2023-09-099.C-条件编译、头文件2023-09-09

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堆内存

1、什么是堆内存

是进程中的一个内存段(heap)，由程序员手动管理(手动申请和释放)
优点：足够大
缺点：使用麻烦且具备一定危险性

2、为什么要使用堆内存

1、随着程序的复杂，数据量增多，其他内存段已经不够用了
2、其它内存段的申请和释放不受控制，但是堆内存的申请和释放是受控制

3、如何使用堆内存malloc/free/calloc/realloc

注意：C语言中没有任何管理堆内存的语句，只能通过标准库的函数进行管理堆内存

• malloc

void *malloc(size_t size);
    功能：从堆内存中申请size个字节的连续内存，内存中的数据值不确定
    返回值：成功时返回该内存的首地址，失败时返回NULL

int* p = malloc(4);

• free

void free(void *ptr);
    功能：释放一块连续的堆内存

free(p);

注意：free仅仅是释放使用权，但是内存中的数据不会全部清理
注意：不能重复释放，必须释放有效内存
注意：可以free(NULL)，但无意义

• calloc(初始化为0)

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
    功能：从堆内存中申请nmemb块（个数），每块size（每个的长度）个字节的内存，得到的依然是一块连续的内存

注意：通过calloc申请到的内存会被初始化为0

• realloc

void *realloc(void *ptr, size_t size);
    功能：改变已有堆内存块的大小，
    ptr:旧堆内存首地址
    size:调整后的堆内存大小
    返回值：成功返回调整后的堆内存首地址

注意：一定要重新接收，因为有可能不是在原地址上调整
如果无法在原基础上调整大小：
1、申请一块符合新要求的连续内存
2、拷贝旧内存中数据到新内存中
3、释放旧内存，并返回新内存首地址

4、malloc的内存管理机制

1、当首次通过malloc申请堆内存时，malloc会向操作系统申请内存，操作系统会直接分配33页(1页=4096字节)交给malloc管理，这样可以减少操作系统的运转次数，但是这样不意味着可以随意越界访问，因为malloc可能会继续分配给其他人，如果越界就会产生脏数据

int* p = malloc(4);

for(int i=0; i<1024*33-2; i++)    //最多只能访问到倒数第二个元素位置，最后一个元素地址被用掉了
{
        p[i] = 10;    
}

2、连续通过malloc申请内存时，每个内存块之间会有一些空隙(4~12字节)，这些空隙一部分是为了访问内存时对齐，可以加快内存的访问速度，其中有4个字节的空隙是为了记录malloc的维护信息，如果维护信息被破坏，会导致下一次free时出现内存崩溃

int* p1 = malloc(12);
int* p2 = malloc(12);
int* p3 = malloc(12);
printf("%p\n",p1);    //0x84e8008
printf("%p\n",p2);    //0x84e8018
printf("%p\n",p3);    //0x84e8028

5、堆内存越界的后果

1、一切正常
2、段错误
3、脏数据
4、如果破坏了malloc的维护信息，会影响下一次free

6、使用堆内存需要注意的问题

6.1 内存泄漏

6.1.1 原因：

程序向系统申请分配了一块内存（new/malloc）给对象使用，程序使用完这块内存后没有释放（delete/free），导致这个不使用的对象一直占据内存单元，造成系统将不能再把它分配给需要的程序。即内存分配与内存释放没有做到一对一的匹配。

一些常见的导致内存泄漏的代码问题：

1）new[]和delete不匹配，或者malloc和free不匹配。

2）指针作为返回值时忘记释放。

3）指针被多次复制，只有一次释放。

4）忘记释放在try块中的内存。

5）忘记释放指向堆内存的全局变量指针。

6）使用循环分配内存时，忘记在循环结束时释放内存。

6.1.2 危害：

堆内存被不断的分配使用，没有及时回收，随着程序的运行，堆内存会慢慢的被消耗殆尽，当其他程序需要内存时，系统无法及时的分配合适的内存供其使用，将会造成程序崩溃。

6.1.3 如何避免内存泄露

谁申请的谁释放，谁知道该释放谁释放

6.1.4 定位内存泄漏

1. 使用工具：使用专门的内存检测和分析工具，如Valgrind、Dr. Memory等；代码分析工具 mtrace。这些工具可以帮助你跟踪程序中的内存分配和释放操作，检测到潜在的内存泄漏。

2. 重载new/delete操作符：在C++中，你可以重载全局的new和delete操作符，在其中添加自定义的跟踪代码来记录内存分配和释放情况，并进行统计和分析。

3. 记录内存分配：在程序中追踪每次内存分配的位置和大小信息。可以通过重载全局的malloc/free函数，在其中添加额外的记录代码来实现。或者使用自定义的内存管理类，重写其alloc/free函数，在其中记录相应信息。

4. 统计未释放资源：在程序退出前或者特定时间点，遍历已分配但未释放的资源列表，并输出相关信息。这样就可以确定哪些资源没有正确释放。

5. 内存监控日志：在程序中添加日志功能，记录每次内存分配和释放操作以及相关调用栈信息。通过分析日志文件，可以找出潜在的泄漏点。

6.查看进程的内存使用情况
windows：任务管理器
Linux： ps -aux

6.2 内存碎片

已经释放了但是又无法使用的内存叫做内存碎片，是由于申请和释放的时间不协调导致的，只能尽量减少不能避免

如何减少内存碎片的产生：
1、尽量申请大块内存自己管理
2、不要频繁地申请释放内存
3、使用栈内存不会产生内存碎片

7、内存清理函数bzero/memset

• bzero: 置0

#include <strings.h>
void bzero(void *s, size_t n);
    功能：把一块内存全部清理为0
    s：内存块的首地址
    n：要清理的内存字节数

• memset：置为c

#include <string.h>
void *memset(void *s, int c, size_t n);
    功能：把内存块按字节设置为c
    s：内存块的首地址
    c：想要设置的ASCII码值
    n：要设置的内存字节数
    返回值：返回设置后的内存首地址 s        

链式调用：一个函数的返回值可以作为另一个函数的参数

free(memset(p,0,100));

8、堆内存中定义二维数组

8.1  指针数组

类型名* arr[n];
        for(int i=0; i<n; i++)
        {
            arr[i] = malloc(sizeof(类型)*m);
         }
申请到 n行m列 的二维数组，每行内存可能不连续

注意：每一行的m值可不同，可以得到不规则的二维数组

缺点：容易产生内存碎片

优点：可以不规则、容易申请成功

8.2 数组指针

类型名 (*arrp)[m] = malloc(sizeof(类型)*m*n);
申请到 n行m列 的二维数组，并且全部内存都是连续的

优点：不容易产生内存碎片

缺点：相对而已对内存要求更高

注意：无论哪种方式申请，最后都是当做二维数组访问arr[i][j]