內存管理

C語言中，棧內存（局部變量）自動分配/釋放，靜態區（全局、靜態變量）編譯時分配；堆內存需手動分配/釋放，核心函數有3個：

?malloc函數

• 原型：void* malloc(size_t size);
• 功能：在堆上分配連續的size字節內存，不初始化內存內容。
• 返回值：成功則返回指向內存首地址的void*指針；失敗返回NULL（如內存不足）。
• 用法示例：

  int *p = (int*)malloc(5 * sizeof(int)); // 分配能存5個int的內存（需強轉） 
  if (p == NULL) { // 檢查分配失敗 printf("malloc failed\n"); return -1; 
  } 
  

?calloc函數

• 原型：void* calloc(size_t num, size_t size);
• 功能：在堆上分配**num個大小為size的連續內存塊**，且自動初始化為0。
• 返回值：成功返回內存首地址void*；失敗返回NULL。
• 與malloc的區別：calloc會初始化內存為0，且參數是“個數+單個大小”（malloc是總字節數）。
• 用法示例：

  int *q = (int*)calloc(5, sizeof(int)); // 分配5個int，每個初始化為0 
  if (q == NULL) { /* 錯誤處理 */ } 
  

?realloc函數

• 原型：void* realloc(void* ptr, size_t new_size);
• 功能：調整已分配內存塊的大小（基于ptr指向的原內存）。
• 調整邏輯：
  • 若原內存后有足夠空間，直接擴展，返回原地址；
  • 若空間不足，重新分配新內存塊，復制原數據到新塊，釋放原內存，返回新地址；
  • 若ptr為NULL，等價于malloc(new_size)；若new_size為0，等價于free(ptr)（不同實現有差異）。
• 返回值：成功返回新內存首地址；失敗返回NULL（原ptr指向的內存不變）。
• 用法示例：

  p = realloc(p, 10 * sizeof(int)); // 將p的內存從5個int擴容到10個int 
  if (p == NULL) { /* 錯誤處理（原p內存仍有效） */ } 
  

內存釋放函數free

• 原型：void free(void* ptr);
• 功能：將ptr指向的動態分配的堆內存歸還給系統，避免內存泄漏。
• 注意點：
  • ptr必須是malloc/calloc/realloc返回的指針（否則行為未定義，如野指針、棧內存指針）；
  • 釋放后ptr變為懸空指針（指向無效內存），需手動置NULL避免誤用；
  • 不可重復釋放同一指針（未定義行為，可能崩潰）。
• 用法示例：

  free(p); 
  p = NULL; // 釋放后置空，避免懸空指針 
  

常見問題與注意事項

1. 分配失敗檢查：調用malloc/calloc/realloc后，必須判斷返回值是否為NULL，否則后續操作空指針會崩潰。
2. 內存泄漏：動態分配的內存未用free釋放，程序結束前不會自動回收，長期運行會耗盡內存。
3. 懸空指針：free后指針未置NULL，后續若誤操作（如解引用、再次free）會觸發未定義行為。
4. 內存越界：訪問分配內存范圍外的地址（如p[5]但只分配了5個int，索引0~4有效），會破壞內存結構，導致程序崩潰或數據錯亂。
5. realloc的風險：若realloc失敗返回NULL，原ptr仍有效，需單獨處理（如備份原指針）。

C語言動態內存管理核心是malloc/calloc/realloc分配堆內存，free釋放內存。需牢記分配必檢查、釋放要置空、避免越界/重復釋放，才能安全管理內存。

指針

一、指針的基本概念

1. 定義與聲明

   指針是存儲另一個變量的地址的變量。其聲明形式如下：

   數據類型 *指針名;

   其中數據類型是指針指向的數據類型的說明符，而*表示這是一個指針變量。

   示例：

   int *p; // p 是一個指向整數的指針

2. 取地址運算符（&）和解引用運算符（*）

   • &：取地址運算符，用于獲取變量的地址。

     int a = 5;
     int *p = &a; // p 現在保存了 a 的地址

   • *：解引用運算符，訪問指針所指向的值。

     int value = *p; // value 將會是 5，即 p 所指向位置的值

二、指針與數組

在C語言中，數組名實際上是一個指向數組第一個元素的常量指針。這意味著你可以使用指針來遍歷數組。

示例：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
int *p = arr; // 等價于 int *p = &arr[0];
for (int i = 0; i < 5; ++i) {printf("%d ", *(p + i)); // 使用指針訪問數組元素
}

三、指針與函數

1. 傳遞指針作為參數

   通過傳遞指針給函數，可以在函數內部修改調用者提供的變量的值。

   示例：

   void increment(int *n) {(*n)++;
   }int main() {int number = 10;increment(&number);// number 現在是 11
   }

2. 返回指針

   函數可以返回一個指針，但需要小心處理動態分配的內存以避免內存泄漏。

   示例：

   int* createArray(int size) {return malloc(size * sizeof(int));
   }

四、指針的算術運算

指針支持加法和減法操作，允許你移動指針指向不同的內存位置。

• 指針加法：將指針向前移動若干個元素的位置。

  int arr[] = {1, 2, 3};
  int *p = arr;
  p++; // p 現在指向 arr[1]

• 指針減法：將指針向后移動若干個元素的位置或計算兩個指針之間的距離。

五、多級指針

指針本身也可以有地址，即指向指針的指針或多級指針。

示例：

int a = 10;
int *p = &a; // p 是一個指向 int 的指針
int **pp = &p; // pp 是一個指向 int* 類型指針的指針

六、void指針

void*是一種特殊類型的指針，它可以指向任何數據類型的變量，但它不能直接解引用，因為編譯器不知道它實際指向的數據類型。

示例：

void* ptr;
int a = 10;
ptr = &a;
int *intptr = (int*)ptr; // 需要強制轉換為具體類型才能解引用

七、指針的安全注意事項

• 空指針檢查：在使用指針前，應該檢查它是否為NULL。

  if (ptr != NULL) {// 安全使用指針
  }

• 避免懸空指針：當指針指向的內存被釋放后，該指針變成懸空指針。訪問懸空指針會導致未定義行為。

• 正確管理動態內存：使用malloc, calloc, realloc分配內存，并確保使用free釋放不再使用的內存以避免內存泄漏。

函數指針

在C語言中，指針不僅可以指向變量，還可以指向函數。函數指針是一種特殊的指針類型，它存儲的是函數的起始地址，可以通過這個指針來調用函數。

一、定義和聲明函數指針

定義一個函數指針需要指定其指向的函數的返回類型以及參數列表。其基本語法如下：

返回類型 (*指針名)(參數類型列表);

例如，假設有一個返回類型為int，接受兩個int類型參數的函數，那么對應的函數指針可以這樣定義：

int add(int a, int b) {return a + b;
}int (*funcPtr)(int, int); // 定義一個函數指針

二、初始化函數指針

你可以將函數的名字賦值給函數指針，因為函數名本質上是指向函數入口點的指針。例如：

funcPtr = add; // 將add函數的地址賦給funcPtr

或者直接在聲明時初始化：

int (*funcPtr)(int, int) = add;

三、通過函數指針調用函數

一旦函數指針被初始化，就可以像普通函數那樣使用它來調用函數：

int result = funcPtr(3, 4); // 相當于調用add(3, 4)
printf("%d\n", result); // 輸出7

四、函數指針作為參數傳遞

函數指針可以作為參數傳遞給其他函數，這在實現回調機制時非常有用。例如：

void executeOperation(int (*operation)(int, int), int a, int b) {printf("Result: %d\n", operation(a, b));
}int main() {executeOperation(add, 5, 3); // 傳遞add函數的指針return 0;
}

五、函數指針數組

你也可以創建一個函數指針數組，用于存儲多個函數指針。這對于實現類似多態的行為很有幫助。

int subtract(int a, int b) {return a - b;
}int main() {int (*operations[2])(int, int) = {add, subtract}; // 函數指針數組int result1 = operations[0](10, 5); // 調用addint result2 = operations[1](10, 5); // 調用subtractprintf("Add: %d, Subtract: %d\n", result1, result2);return 0;
}

六、注意事項

• 類型匹配：函數指針的類型必須與它指向的函數的簽名完全匹配（包括返回類型和參數列表）。
• 空指針檢查：如同其他類型的指針一樣，使用前應確保函數指針不是NULL，避免未定義行為。
• 函數指針與函數本身的區別：雖然函數名可以直接賦值給函數指針，但它們并不完全相同。函數名是編譯時常量，而函數指針是一個變量，可以在運行時改變其所指向的函數。