栈区与堆区初探
C程序会对内存进行分区，主要分为5个区域：
- 栈区（Stack）
- 堆区（Heap）
- 全局/静态区
- 常量区（Constant）
- 代码区
我们先主要了解前两个：
栈内存由编译器自动分配和释放，我们不需要操心。每调用一个函数，都会在栈区为该函数分配一块内存区域，这块区域就叫做函数栈帧。其中主要存放一些非静态的局部变量、函数参数等。
例如，下面代码中的函数形参 b、定义的局部变量 a 所用到的内存，都会由编译器自动开辟，开辟的方式是静态内存开辟。当 add 函数执行完毕返回时，对应的函数栈帧就会被销毁，自然这些占用的内存会被编译器自动回收。
int add(int b) {
int a = 10;
return a + b;
}
而堆内存由我们程序员手动分配（malloc 或 calloc）和释放（free）。
malloc 和 calloc 的区别在于：malloc 分配的内存存储的都是未初始化的随机垃圾值，而 calloc 会自动将分配的内存全部初始化为 0。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
// 申请了32MB的内存
int* arr = (int*) malloc(8 * 1024 * 1024 * sizeof(int)); // 返回值类型是void*，表示无类型指针，我们可以强转赋予它类型
// 每次动态分配内存后，都要检查返回值是否为 NULL
if (arr == NULL) {
// 防止操作到空指针，导致程序崩溃
printf("Memory allocation failed!\n");
return -1;
}
// 释放内存
free(arr);
// 置空，防止野指针
arr = NULL;
return 0;
}
堆内存的开辟方式是动态内存开辟，这些内存不会自动回收，如果不手动回收，就会造成内存泄漏。
此外，栈空间通常很小（1MB），堆空间则很大，和系统可用的内存有关。
运行时决定内存大小
动态内存开辟的使用场景有很多：数据长度只在运行时才确定、栈空间不满足需求、需要延长变量的生命周期、内存大小需要动态改变等。
我们以第一种场景为例：运行时由用户输入决定人员的数量。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
// 用户输入
int num = 0;
printf("Please enter the number of people.\n");
scanf_s("%d", &num);
// 开辟对应大小的空间
int* arr = (int*)malloc(num * sizeof(int));
// 检查内存是否开辟成功
if (arr == NULL) {
printf("Memory allocation failed!\n");
return -1; // 退出程序
}
for (int i = 0; i < num; i++)
{
// 输入年龄
int age = 0;
printf("Please enter the age of the %d member at this position.\n", i + 1);
scanf_s("%d", &age);
arr[i] = age;
}
// 输出每个人的年龄
for (int i = 0; i < num; i++)
{
printf("The age of the %d member is %d\n", i + 1, arr[i]);
}
// 释放并置空
free(arr);
arr = NULL;
return 0;
}
scanf_s 是 Visual Studio 环境下特有的安全函数，在非 VS 环境中请使用 scanf。
运行结果：
realloc 的扩容机制与暗坑
再来看看第四种场景，普通的数组一旦定义后，长度就固定了，而动态内存的大小可以使用 realloc 进行重新调整，根据自己的需要扩容或缩容。
使用 realloc 进行扩容时，有两种情况：
原地扩容：如果原位置后有足够的连续内存空间，它会直接在原地址后追加空间，返回的地址和原地址相同。
异地扩容：如果原位置所需的连续地址空间不足，它会尝试在堆区找到一块合适的内存空间，将之前的数据拷贝到新位置，并自动释放之前的旧内存，最后返回指向这块新内存空间的指针。
因为异地扩容很常见，所以我们应该总是要使用新的指针去接收返回值。同时，如果发生后了异地扩容，原来的指针就变为了野指针，应该置为空。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
// 初始可以存储8个整型
int* p = (int*)malloc(8 * sizeof(int));
if (p == NULL) {
printf("Initial memory allocation failed.\n");
return -1;
}
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
p[i] = i + 1;
}
printf("Before capacity expansion\n");
for (int i = 0; i < 8; i++)
{
printf("%d ", p[i]);
}
// 扩容至16
printf("\nAfter capacity expansion\n");
// 使用新指针变量接收，防止因扩容失败导致原内存地址 p 丢失
int* new_p = (int*)realloc(p, 16 * sizeof(int));
if (new_p == NULL) {
printf("\nFailed to allocate memory for expansion.\n");
// 扩容失败，旧内存 p 依然有效，程序结束前记得释放
free(p);
p = NULL;
return -1;
}
// 扩容成功，原指针 p 可能已在异地扩容中被自动释放而失效，为防止误用，我们将其置空
p = NULL;
for (int i = 8; i < 16; i++)
{
new_p[i] = i + 1;
}
for (int i = 0; i < 16; i++)
{
printf("%d ", new_p[i]);
}
// 此时由 new_p 管理这块空间，我们只需释放 new_p
free(new_p);
new_p = NULL;
return 0;
}
如果 realloc 扩容失败，它将返回 NULL 空指针，但旧内存不会被释放，我们需要手动处理。
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int* p = (int*)malloc(8 * sizeof(int));
if (p == NULL) return -1;
// 尝试申请一块非常大的内存，模拟失败的情况
int* new_p = (int*)realloc(p, 8 * 1024LL * 1024 * 1024 * sizeof(int));
if (new_p == NULL)
{
printf("Failed to allocate memory.\n");
// 虽然申请新内存失败，但是旧内存块 p 依然存在，需要由我们手动释放
free(p);
p = NULL;
}
else
{
printf("Success to allocate memory.\n");
// 如果成功，释放新指针 new_p 即可
free(new_p);
new_p = NULL;
p = NULL; // 置空防误用
}
return 0;
}
注意：永远不要多次释放同一块内存，可能会导致程序崩溃。
