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在C++編程中，內(nèi)存管理是一個至關重要的概念。

要深入理解內(nèi)存管理，我們肯定要了解堆內(nèi)存和棧內(nèi)存的基本概念、區(qū)別以及它們的動態(tài)分配和釋放方法。還需要深入理解相關內(nèi)存分配函數(shù)malloc、calloc、realloc的用法。

基本概念理解

棧內(nèi)存

棧內(nèi)存是由編譯器自動管理的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲局部變量、函數(shù)參數(shù)和返回地址等。棧內(nèi)存的分配和釋放是自動進行的：

• 當函數(shù)被調(diào)用時，局部變量和參數(shù)會被壓入棧中；
• 當函數(shù)返回時，這些局部變量和參數(shù)會被彈出棧并釋放。

棧內(nèi)存具有快速分配和釋放的特點，但其大小是固定的，一般也就8M左右，不能動態(tài)調(diào)整。

堆內(nèi)存

堆內(nèi)存是由程序員手動管理的內(nèi)存區(qū)域，用于動態(tài)分配內(nèi)存。

你通過malloc、calloc、realloc等函數(shù)可以在堆上分配內(nèi)存，通過free函數(shù)釋放內(nèi)存。

堆內(nèi)存的大小不固定，可以動態(tài)調(diào)整，但需要程序員負責內(nèi)存的管理，容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏等問題，我們常說的內(nèi)存泄露問題指的更多的就是堆內(nèi)存的泄露。

區(qū)別

• 內(nèi)存****管理：棧內(nèi)存由編譯器自動管理，堆內(nèi)存由程序員手動管理。
• 作用域：棧內(nèi)存的作用域通常是函數(shù)內(nèi)部，當函數(shù)返回時，棧內(nèi)存會自動被釋放；堆內(nèi)存的作用域由程序員控制，只要程序員不釋放，內(nèi)存就會一直存在。
• 生命周期：棧內(nèi)存的生命周期與函數(shù)執(zhí)行時間相關，函數(shù)執(zhí)行完畢后，棧內(nèi)存會被釋放；堆內(nèi)存的生命周期由程序員控制，直到顯式調(diào)用free函數(shù)釋放內(nèi)存。

堆內(nèi)存的使用

使用malloc動態(tài)分配空間

malloc函數(shù)用于在堆上分配指定大小的內(nèi)存塊。函數(shù)聲明形式為：

void* malloc(size_t size);

• size：要分配的字節(jié)數(shù)。
• 返回值：指向分配的內(nèi)存塊的指針，如果分配失敗，返回NULL。

示例代碼：

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); // 分配10個int類型的內(nèi)存空間
if (ptr == NULL) {// 處理內(nèi)存分配失敗的情況
}

使用calloc分配并初始化內(nèi)存

calloc函數(shù)用于在堆上分配內(nèi)存并初始化為0。函數(shù)聲明形式為：

void* calloc(size_t num, size_t size);

• num：要分配的元素個數(shù)。
• size：每個元素的字節(jié)數(shù)。
• 返回值：指向分配的內(nèi)存塊的指針，如果分配失敗，返回NULL。

示例代碼：

int* ptr = (int*)calloc(10, sizeof(int)); // 分配10個int類型的內(nèi)存空間，并初始化為0
if (ptr == NULL) {// 處理內(nèi)存分配失敗的情況
}

使用realloc調(diào)整內(nèi)存大小

realloc函數(shù)用于調(diào)整已分配內(nèi)存塊的大小。函數(shù)聲明形式為：

void* realloc(void* ptr, size_t size);

• ptr：指向要調(diào)整大小的內(nèi)存塊的指針。
• size：新的內(nèi)存塊大小（字節(jié)數(shù)）。
• 返回值：指向新的內(nèi)存塊的指針，如果分配失敗，返回NULL，原內(nèi)存塊保持不變。

示例代碼：

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); // 初始分配10個int類型的內(nèi)存空間
if (ptr == NULL) {// 處理內(nèi)存分配失敗的情況
}// 使用realloc調(diào)整內(nèi)存大小
ptr = (int*)realloc(ptr, sizeof(int) * 20);
if (ptr == NULL) {// 處理內(nèi)存調(diào)整失敗的情況，注意原內(nèi)存塊仍然有效
}

使用free釋放內(nèi)存

free函數(shù)用于釋放之前通過malloc、calloc或realloc分配的內(nèi)存空間。函數(shù)聲明形式為：

void free(void* ptr);

• ptr：指向要釋放的內(nèi)存塊的指針。

示例代碼：

int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int) * 10); // 分配10個int類型的內(nèi)存空間
if (ptr == NULL) {// 處理內(nèi)存分配失敗的情況
}// 使用內(nèi)存...free(ptr); // 釋放內(nèi)存
ptr = NULL; // 將指針置為NULL，避免懸掛指針

棧內(nèi)存與堆內(nèi)存的對比

編程實踐展示

以下示例展示了棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的不同使用場景和特性：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>void stackMemoryExample() {int stackVar = 10; // 棧內(nèi)存，函數(shù)返回時自動釋放printf("Stack variable: %d\n", stackVar);
}void heapMemoryExample() {int* heapVar = (int*)malloc(sizeof(int)); // 堆內(nèi)存，需要手動釋放if (heapVar == NULL) {fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");return;}*heapVar = 20;printf("Heap variable: %d\n", *heapVar);free(heapVar); // 釋放堆內(nèi)存heapVar = NULL; // 避免懸掛指針
}int main() {stackMemoryExample(); // 調(diào)用棧內(nèi)存示例函數(shù)heapMemoryExample();  // 調(diào)用堆內(nèi)存示例函數(shù)return 0;
}

其中

stackMemoryExample函數(shù)使用了棧內(nèi)存來存儲局部變量stackVar，當函數(shù)返回時，stackVar會自動釋放。

而heapMemoryExample函數(shù)則使用堆內(nèi)存來存儲變量heapVar，并通過malloc分配內(nèi)存，通過free釋放內(nèi)存。

練習

1. 編寫一個程序，動態(tài)分配一個整型數(shù)組的內(nèi)存空間，用于存儲用戶輸入的5個整數(shù)，然后遍歷并打印這些整數(shù)。最后，釋放分配的內(nèi)存。
2. 編寫一個程序，包含兩個函數(shù)。第一個函數(shù)使用棧內(nèi)存（局部變量）存儲并打印一個整數(shù)數(shù)組；第二個函數(shù)使用堆內(nèi)存動態(tài)分配并存儲用戶輸入的整數(shù)數(shù)組，然后打印并釋放內(nèi)存。通過這兩個函數(shù)的調(diào)用，展示棧內(nèi)存和堆內(nèi)存在使用上的區(qū)別。

進階

1. 為什么malloc時候需要傳遞長度信息，而free時候卻不需要傳遞長度信息呢？會不會多釋放一些內(nèi)存或者少釋放了一些內(nèi)存？
2. malloc更底層的原理是什么？一次malloc底層都經(jīng)歷了什么？
3. 棧內(nèi)存和堆內(nèi)存的區(qū)別？
4. 什么場景下使用棧，什么場景下使用堆呢？
5. 棧數(shù)組下標越界訪問會發(fā)生什么？
6. 什么是棧溢出？
7. 了解下常見的棧攻擊手段。

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