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在C++編程中，內(nèi)存管理是一個(gè)至關(guān)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(dòng)態(tài)分配和釋放方法。還需要深入理解相關(guān)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(dòng)管理的內(nèi)存區(qū)域，用于存儲(chǔ)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(dòng)進(jìn)行的：

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

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

堆內(nèi)存

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

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

堆內(nèi)存的大小不固定，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整，但需要程序員負(fù)責(zé)內(nèi)存的管理，容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏等問(wèn)題，我們常說(shuō)的內(nèi)存泄露問(wèn)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(dòng)管理，堆內(nèi)存由程序員手動(dòng)管理。
• 作用域：棧內(nèi)存的作用域通常是函數(shù)內(nèi)部，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，棧內(nèi)存會(huì)自動(dòng)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(huì)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(shí)間相關(guān)，函數(shù)執(zhí)行完畢后，棧內(nèi)存會(huì)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(dòng)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(gè)int類(lèi)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(gè)數(shù)。
• size：每個(gè)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(gè)int類(lèi)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(gè)int類(lèi)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(guò)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(gè)int類(lèi)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(duì)比

編程實(shí)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(chǎng)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(shí)自動(dòng)釋放printf("Stack variable: %d\n", stackVar);
}void heapMemoryExample() {int* heapVar = (int*)malloc(sizeof(int)); // 堆內(nèi)存，需要手動(dòng)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(lái)存儲(chǔ)局部變量stackVar，當(dāng)函數(shù)返回時(shí)，stackVar會(huì)自動(dòng)釋放。

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

練習(xí)

1. 編寫(xiě)一個(gè)程序，動(dòng)態(tài)分配一個(gè)整型數(shù)組的內(nèi)存空間，用于存儲(chǔ)用戶(hù)輸入的5個(gè)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(xiě)一個(gè)程序，包含兩個(gè)函數(shù)。第一個(gè)函數(shù)使用棧內(nèi)存（局部變量）存儲(chǔ)并打印一個(gè)整數(shù)數(shù)組；第二個(gè)函數(shù)使用堆內(nèi)存動(dòng)態(tài)分配并存儲(chǔ)用戶(hù)輸入的整數(shù)數(shù)組，然后打印并釋放內(nèi)存。通過(guò)這兩個(gè)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(jìn)階

1. 為什么malloc時(shí)候需要傳遞長(zhǎng)度信息，而free時(shí)候卻不需要傳遞長(zhǎng)度信息呢？會(huì)不會(huì)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(chǎng)景下使用棧，什么場(chǎng)景下使用堆呢？
5. 棧數(shù)組下標(biāo)越界訪問(wèn)會(huì)發(fā)生什么？
6. 什么是棧溢出？
7. 了解下常見(jiàn)的棧攻擊手段。

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