C缺陷与陷阱 — 7 内存管理进阶

几度春风里

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分类专栏： C语言进阶之道文章标签： C语言进阶教程 C缺陷与陷阱

于 2024-11-17 11:01:25 首次发布

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1 free函数

2 内存泄露

3 malloc、calloc 和 realloc

3.1 malloc、calloc 和 realloc 函数

3.2 常见的内存分配错误

4 #pragma pack()

1 free函数

free 函数用于释放之前通过 malloc、calloc 或 realloc 分配的内存，传给free函数一个并非动态分配的内存可能导致程序立即终止或在晚些时候终止。同时释放一块内存的一部分是不允许的，动态分配的内存必须整块一起释放。其原型如下：

原型	void free(void* ptr);
参数	ptr: 指向要释放的内存块的指针。
返回值	无

使用 free 时，需要注意以下几点：

多次释放: 不能对同一个指针调用 free 多次，这会导致未定义行为。
空指针释放: 对 NULL 调用 free 是安全的，不会产生任何效果。
悬挂指针: 释放内存后，应将指针设置为 NULL，以防止悬挂指针的使用。

#include <stdio.h>  
#include <stdlib.h>  
  
int main() {  
    int *arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));  
    if (arr == NULL) {  
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");  
        return 1;  
    }  
  
    // 使用数组（省略）  
  
    // 释放内存  
    free(arr);  
    arr = NULL; // 避免悬挂指针  
  
    return 0;  
}

2 内存泄露

内存泄露：是指程序中已分配的内存空间，在不再使用之后没有被正确释放或无法被再次使用，导致随着程序的运行，可用内存空间逐渐减少，最终可能耗尽系统内存，造成程序崩溃或系统性能下降。

如何避免内存泄露：在使用完动态内存之后，要及时将其释放。C语言中可以通过显式地调用释放内存的free函数来实现。

3 malloc、calloc 和 realloc

3.1 malloc、calloc 和 realloc 函数

malloc函数：用于在堆（heap）上动态分配指定数量的字节，malloc 分配的内存是未初始化的，其内容是不确定的。其原型如下：

原型	void* malloc(size_t size);
参数	size_t size：
返回值	成功时，返回一个指向分配的内存块的指针，失败时返回 NULL。

calloc函数：用于在堆上动态分配内存，calloc 分配的内存块是连续的，同时初始化分配的内存块为零。其原型如下：

原型

void* calloc(size_t num, size_t size);

参数

num: 要分配的元素数量。

size: 每个元素的大小（以字节为单位）

返回值

成功时，返回一个指向分配并初始化为零的内存块的指针。

失败时，返回 NULL。

realloc函数：用于调整之前通过 malloc、calloc 或另一个 realloc 调用分配的内存块的大小。其原型如下：

原型	void* realloc(void* ptr, size_t size);
参数	ptr: 指向要调整大小的内存块的指针（如果为 NULL，则行为类似于 malloc）。 size: 新的内存块大小（以字节为单位）。
返回值	成功时，返回一个指向分配并初始化为零的内存块的指针。失败时，返回 NULL。
注意点	如果 ptr 为 NULL，则 realloc 的行为类似于 malloc，分配一个大小为 size 的新内存块。如果 size 为零，并且 ptr 不为 NULL，则释放 ptr 指向的内存块，并返回 NULL。如果 realloc 成功，它可能会移动内存块的位置（即使大小没有改变），因此返回的指针可能与 ptr 不同。如果 realloc 失败，它返回 NULL，但原始内存块仍然有效，并且必须手动释放。

3.2 常见的内存分配错误

在使用动态内存分配的程序中，常常会出现许多错误。这些错误包括对NULL指针进行解引用操作、对分配的内存进行操作时越过边界、释放并非动态分配的内存、试图释放一块动态分配的内存的一部分以及一块动态内存被释放之后被继续使用。避免方法如下：

在使用 malloc、calloc 或 realloc 分配内存后，始终检查返回值是否为 NULL，以防止内存分配失败。
在释放内存后，将指针设置为 NULL，以防止悬挂指针的使用。
避免内存泄漏和野指针问题，确保在不再需要内存时释放它。

4 #pragma pack()

#pragma pack() 是一个预处理指令，用于控制编译器如何将结构体或类成员对齐到内存地址上。使用 #pragma pack(n) 可以强制编译器按照 n 字节对齐数据成员，其中 n 可以是 1、2、4、8、16 等值。这会影响结构体的内存布局，可能会减少或增加结构体占用的总内存空间。

#pragma pack() 的作用是取消之前设置的结构体或类成员的自定义字节对齐方式，让编译器恢复使用默认的对齐方式。在没有指定参数的情况下，它会将对齐方式设置回编译器的默认设置。

例如，如果你有一个结构体，并且你想要确保它的每个成员都按照 1 字节对齐，即使这样可能会导致内存访问效率降低，你可以这样做：

#pragma pack(1)
struct MyStruct {
    char a;
    int b;
    double c;
};
#pragma pack() // 恢复默认对齐

还有一种情况是使用 #pragma pack(push, n) 和 #pragma pack(pop) 来保存和恢复对齐设置。#pragma pack(push, n) 会将当前的对齐设置压栈，并设置新的对齐字节为 n。然后 #pragma pack(pop) 会从栈中弹出之前的对齐设置，恢复到之前的对齐状态。