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本篇原文为#xff1a;C语言内存管理与常用内存操作函数解析。
更多C进阶、rust、python、逆向等等教程#xff0c;可点击此链接查看#xff1a;酷程网
C 语… 目录 1.简介2.void 指针3.malloc4.free5.calloc6.realloc7.restrict 说明符8.memcpy9.memmove()10.memcmp 1.简介
本篇原文为C语言内存管理与常用内存操作函数解析。
更多C进阶、rust、python、逆向等等教程可点击此链接查看酷程网
C 语言的内存管理分为系统管理、用户手动管理两部分。
系统管理的内存主要是函数内部的变量局部变量这部分变量在函数运行时进入内存函数运行结束后自动从内存移除其所存放的区域被称为”栈“stack因此”栈“所在的内存是系统自动管理的。
用户手动管理的内存主要是程序运行的整个过程中都存在的变量全局变量这些变量需要用户手动从内存释放如果使用后忘记释放它就一直占用内存直到程序退出这种情况称为”内存泄漏“memory leak这些变量所在的内存称为”堆“heap”堆“所在的内存是用户手动管理的。
2.void 指针
程序运行中所占用的每一块内存都有地址通过指针变量可以获取指定地址的内存块。
指针变量必须有类型否则编译器就无法知道如何解读内存块保存的二进制数据。
但由于在向系统请求内存的时候很多时候并不能确定未来将有什么样的数据写入内存因此需要先获得内存块稍后再确定写入的数据类型。
为了满足这种需求C 语言提供了一种不定类型的指针叫做 void 指针与之对应的就是void类型一般用于函数返回值代表该函数没有返回值。
void指针只有内存块的地址信息没有类型信息等到使用该块内存的时候再向编译器补充说明里面的数据类型是什么。
另一方面void 指针等同于无类型指针可以指向任意类型的数据但是不能解读数据。
void 指针与其他所有类型指针之间是互相转换关系任一类型的指针都可以转为 void 指针而 void 指针也可以转为任一类型的指针
int x 10;void* p x; // 整数指针转为 void 指针
int* q p; // void 指针转为整数指针上面示例演示了整数指针和 void 指针如何互相转换。x是一个整数指针p是 void 指针赋值时x的地址会自动解释为 void 类型。
同样的p再赋值给整数指针q时p的地址会自动解释为整数指针。
注意由于不知道 void 指针指向什么类型的值所以不能用*运算符取出它指向的值
char a X;
void* p a;printf(%c\n, *p); // 报错上面示例中p是一个 void 指针所以这时无法用*p取出指针指向的值。
void 指针的重要之处在于很多内存相关函数的返回值就是 void 指针只给出内存块的地址信息所以放在最前面进行介绍。
3.malloc
malloc()函数用于分配内存该函数向系统要求一段内存系统就在“堆”里面分配一段连续的内存块给它它的原型定义在头文件stdlib.h
void* malloc(size_t size)它接受一个非负整数作为参数表示所要分配的内存字节数返回一个 void 指针指向分配好的内存块。
这很合理因为malloc()函数不知道将要存储在该块内存的数据是什么类型所以只能返回一个无类型的 void 指针。
可以使用malloc()为任意类型的数据分配内存常见的做法是先使用sizeof()函数算出某种数据类型所需的字节长度然后再将这个长度传给malloc()。
int* p malloc(sizeof(int));*p 12;
printf(%d\n, *p); // 12上面示例中先为整数类型分配一段内存然后将整数12放入这段内存里面。
这个例子其实不需要使用malloc()因为 C 语言会自动为整数本例是12提供内存。
有时候为了增加代码的可读性可以对malloc()返回的指针进行一次强制类型转换。
int* p (int*) malloc(sizeof(int));上面代码将malloc()返回的 void 指针强制转换成了整数指针。
由于sizeof()的参数可以是变量所以上面的例子也可以写成下面这样。
int* p (int*) malloc(sizeof(*p));malloc()分配内存有可能分配失败这时返回常量NULL。
NULL的值为0是一个无法读写的内存地址可以理解成一个不指向任何地方的指针。
它在包括stdlib.h等多个头文件里面都有定义所以只要可以使用malloc()就可以使用NULL。由于存在分配失败的可能所以最好在使用malloc()之后检查一下是否分配成功
int* p malloc(sizeof(int));if (p NULL) {// 内存分配失败
}// or
if (!p) {//...
}上面示例中通过判断返回的指针p是否为NULL确定malloc()是否分配成功。
malloc()最常用的场合就是为数组和自定义数据结构分配内存
int* p (int*) malloc(sizeof(int) * 10);for (int i 0; i 10; i)p[i] i * 5;上面示例中p是一个整数指针指向一段可以放置10个整数的内存所以可以用作数组。
malloc()用来创建数组有一个好处就是它可以创建动态数组即根据成员数量的不同而创建长度不同的数组
int* p (int*) malloc(n * sizeof(int));上面示例中malloc()可以根据变量n的不同动态为数组分配不同的大小。
注意malloc()不会对所分配的内存进行初始化里面还保存着原来的值。如果没有初始化就使用这段内存可能从里面读到以前的值。
程序员要自己负责初始化比如字符串初始化可以使用strcpy()函数
char* p malloc(4);
strcpy(p, abc);上面示例中字符指针p指向一段4个字节的内存strcpy()将字符串“abc”拷贝放入这段内存完成了这段内存的初始化。
4.free
free()用于释放malloc()函数分配的内存将这块内存还给系统以便重新使用否则这个内存块会一直占用到程序运行结束该函数的原型定义在头文件stdlib.h里面
void free(void* block)上面代码中free()的参数是malloc()返回的内存地址下面就是用法实例
int* p (int*) malloc(sizeof(int));*p 12;
free(p);注意分配的内存块一旦释放就不应该再次操作已经释放的地址也不应该再次使用free()对该地址释放第二次。
一个很常见的错误是在函数内部分配了内存但是函数调用结束时没有使用free()释放内存
void gobble(double arr[], int n) {double* temp (double*) malloc(n * sizeof(double));// ...
}上面示例中函数gobble()内部分配了内存但是没有写free(temp)。
这会造成函数运行结束后占用的内存块依然保留如果多次调用gobble()就会留下多个内存块。并且由于指针temp已经消失了也无法访问这些内存块再次使用。
5.calloc
calloc()函数的作用与malloc()相似也是分配内存块。该函数的原型定义在头文件stdlib.h。
两者的区别主要有两点
1calloc()接受两个参数第一个参数是某种数据类型的值的数量第二个是该数据类型的单位字节长度。
void* calloc(size_t n, size_t size);calloc()的返回值也是一个 void 指针分配失败时返回 NULL。
2calloc()会将所分配的内存全部初始化为0malloc()不会对内存进行初始化如果想要初始化为0还要额外调用memset()函数
int* p calloc(10, sizeof(int));// 等同于
int* p malloc(sizeof(int) * 10);
memset(p, 0, sizeof(int) * 10);上面示例中calloc()相当于malloc() memset()。
calloc()分配的内存块也要使用free()释放。
6.realloc
realloc()函数用于修改已经分配的内存块的大小可以放大也可以缩小返回一个指向新的内存块的指针如果分配不成功返回 NULL该函数的原型定义在头文件stdlib.h
void* realloc(void* block, size_t size)它接受两个参数。
block已经分配好的内存块指针由malloc()或calloc()或realloc()产生。size该内存块的新大小单位为字节。
realloc()可能返回一个全新的地址数据也会自动复制过去也可能返回跟原来一样的地址。realloc()优先在原有内存块上进行缩减尽量不移动数据所以通常是返回原先的地址。
如果新内存块小于原来的大小则丢弃超出的部分
如果大于原来的大小则不对新增的部分进行初始化程序员可以自动调用memset()。
下面是一个例子b是数组指针realloc()动态调整它的大小。
int* b;b malloc(sizeof(int) * 10);
b realloc(b, sizeof(int) * 2000);上面示例中指针b原来指向10个成员的整数数组使用realloc()调整为2000个成员的数组。
这就是手动分配数组内存的好处可以在运行时随时调整数组的长度。
realloc()的第一个参数可以是 NULL这时就相当于新建一个指针。
char* p realloc(NULL, 3490);
// 等同于
char* p malloc(3490);如果realloc()的第二个参数是0就会释放掉内存块。
由于有分配失败的可能所以调用realloc()以后最好检查一下它的返回值是否为 NULL分配失败时原有内存块中的数据不会发生改变。
float* new_p realloc(p, sizeof(*p * 40));if (new_p NULL) {printf(Error reallocing\n);return 1;
}注意realloc()不会对内存块进行初始化。
7.restrict 说明符
声明指针变量时可以使用restrict说明符告诉编译器该块内存区域只有当前指针一种访问方式其他指针不能读写该块内存。这种指针称为“受限指针”restrict pointer。
int* restrict p;
p malloc(sizeof(int));上面示例中声明指针变量p时加入了restrict说明符使得p变成了受限指针。
后面当p指向malloc()函数返回的一块内存区域就意味着该区域只有通过p来访问不存在其他访问方式
int* restrict p;
p malloc(sizeof(int));int* q p;
*q 0; // 未定义行为上面示例中另一个指针q与受限指针p指向同一块内存现在该内存有p和q两种访问方式。这就违反了对编译器的承诺后面通过*q对该内存区域赋值会导致未定义行为。
8.memcpy
memcpy()用于将一块内存拷贝到另一块内存。该函数的原型定义在头文件string.h。
void* memcpy(void* restrict dest, void* restrict source, size_t n
);上面代码中dest是目标地址source是源地址第三个参数n是要拷贝的字节数n。
如果要拷贝10个 double 类型的数组成员n就等于10 * sizeof(double)而不是10。该函数会将从source开始的n个字节拷贝到dest。
dest和source都是 void 指针表示这里不限制指针类型各种类型的内存数据都可以拷贝。两者都有 restrict 关键字表示这两个内存块不应该有互相重叠的区域。
memcpy()的返回值是第一个参数即目标地址的指针。
因为memcpy()只是将一段内存的值复制到另一段内存所以不需要知道内存里面的数据是什么类型下面是复制字符串的例子
#include stdio.h
#include string.hint main(void) {char s[] Goats!;char t[100];memcpy(t, s, sizeof(s)); // 拷贝7个字节包括终止符printf(%s\n, t); // Goats!return 0;
}上面示例中字符串s所在的内存被拷贝到字符数组t所在的内存。
memcpy()可以取代strcpy()进行字符串拷贝而且是更好的方法不仅更安全速度也更快它不检查字符串尾部的\0字符
char* s hello world;size_t len strlen(s) 1;
char *c malloc(len);if (c) {// strcpy() 的写法strcpy(c, s);// memcpy() 的写法memcpy(c, s, len);
}上面示例中两种写法的效果完全一样但是memcpy()的写法要好于strcpy()。
使用 void 指针也可以自定义一个复制内存的函数
void* my_memcpy(void* dest, void* src, int byte_count) {char* s src;char* d dest;while (byte_count--) {*d *s;}return dest;}上面示例中不管传入的dest和src是什么类型的指针将它们重新定义成一字节的 Char 指针这样就可以逐字节进行复制。
*d *s语句相当于先执行*d *s源字节的值复制给目标字节然后各自移动到下一个字节。最后返回复制后的dest指针便于后续使用。
9.memmove()
memmove()函数用于将一段内存数据复制到另一段内存。它跟memcpy()的主要区别是它允许目标区域与源区域有重叠。
如果发生重叠源区域的内容会被更改如果没有重叠它与memcpy()行为相同。
该函数的原型定义在头文件string.h。
void* memmove(void* dest, void* source, size_t n
);上面代码中dest是目标地址source是源地址n是要移动的字节数。
dest和source都是 void 指针表示可以移动任何类型的内存数据两个内存区域可以有重叠。
memmove()返回值是第一个参数即目标地址的指针。
int a[100];
// ...memmove(a[0], a[1], 99 * sizeof(int));上面示例中从数组成员a[1]开始的99个成员都向前移动一个位置。
下面是另一个例子
char x[] Home Sweet Home;// 输出 Sweet Home Home
printf(%s\n, (char *) memmove(x, x[5], 10));上面示例中从字符串x的5号位置开始的10个字节就是“Sweet Home”memmove()将其前移到0号位置所以x就变成了“Sweet Home Home”。
10.memcmp
memcmp()函数用来比较两个内存区域它的原型定义在string.h。
int memcmp(const void* s1,const void* s2,size_t n
);它接受三个参数前两个参数是用来比较的指针第三个参数指定比较的字节数。
它的返回值是一个整数。两块内存区域的每个字节以字符形式解读按照字典顺序进行比较如果两者相同返回0如果s1大于s2返回大于0的整数如果s1小于s2返回小于0的整数。
char* s1 abc;
char* s2 acd;
int r memcmp(s1, s2, 3); // 小于 0上面示例比较s1和s2的前三个字节由于s1小于s2所以r是一个小于0的整数一般为-1。
下面是另一个例子。
char s1[] {b, i, g, \0, c, a, r};
char s2[] {b, i, g, \0, c, a, t};if (memcmp(s1, s2, 3) 0) // true
if (memcmp(s1, s2, 4) 0) // true
if (memcmp(s1, s2, 7) 0) // false上面示例展示了memcmp()可以比较内部带有字符串终止符\0的内存区域。
