前言

       前面我们讲了C语言的基础知识，也了解了一些数据结构，并且讲了有关C++的命名空间的一些知识点以及关于C++的缺省参数、函数重载，引用 和 内联函数也认识了什么是类和对象。也相信大家都掌握的不错，接下来博主将会带领大家继续学习有关C和C++比较重要的知识点——内存管理。下面话不多说坐稳扶好咱们要开车了😍

一、C/C++内存分布

        C/C++的内存分布较为复杂，大概分为五个部分它们分别是：栈（Stack）、堆（Heap）、全局区/静态区（Global Area/Static Area）、常量区（Constant Area）、代码区（Code Area）下面我会分别介绍他们各自的属性。

1. 栈（Stack）

🍟栈是用来存储函数的局部变量、函数参数和函数调用的返回地址等信息的内存空间。

🍟栈空间由编译器自动管理，它的分配和释放是自动进行的，不需要程序员手动操作。

🍟每当一个函数被调用时，编译器会在栈上为该函数分配一块特定大小的空间，称为函数帧或活动记录（Activation Record）。

🍟栈是一种高效的存储方式，由于栈上的内存是连续分配的，因此访问速度较快。然而，栈的大小是有限的，过多的栈帧可能导致栈溢出的错误。

2. 堆（Heap）

🍁堆是用来动态分配内存的空间，通过使用malloc、free、new、delete等操作来分配和释放内存。

🍁堆的分配是手动进行的，程序员需要显式地分配和释放内存。

🍁堆是一种灵活的存储方式，允许动态调整分配的内存大小。

🍁堆上的内存分配通常是不连续的，因此访问速度稍慢于栈。

🍁如果使用不当，堆上的内存可能导致内存泄漏或内存碎片化等问题。

3. 全局区/静态区（Global Area/Static Area）

🍔全局区用来存储全局变量和静态变量。

🍔全局变量在程序开始执行时分配，在程序结束时被释放，因此它们的生命周期与整个程序的运行周期相同。

🍔静态变量有不同的存储位置和生命周期，具体取决于其作用域和存储类型（例如静态局部变量、静态全局变量）。

🍔全局区的内存空间在程序启动时由操作系统分配，并在程序退出时由操作系统释放。

4. 常量区（Constant Area）

🍪常量区用来存储常量数据，例如字符串字面量和其他常量。

🍪常量区的内存通常是只读的，因此程序不能对其进行修改。

🍪常量区的数据在程序运行期间保持不变。

5. 代码区（Code Area）

🥝代码区用来存储程序的机器指令，也称为可执行代码。

🥝代码区通常是只读的，存储程序的执行逻辑。

🥝代码区的内存空间在程序启动时被分配，并且在程序运行期间保持不变。

        🚨注意：具体的内存布局和分配方式可能因编译器、操作系统和硬件平台的不同而有所差异。此外，在多线程和多进程的情况下，还需要考虑线程栈、共享内存等特殊情况。

二、C语言中动态内存管理方式

1. malloc函数

• malloc 函数用于动态地分配指定大小的内存空间。
• 它接受一个参数，即需要分配的内存大小（以字节为单位），并返回所分配内存的起始地址。

int ptr = (int)malloc(sizeof(int));

• malloc 函数在堆上找到足够大的连续内存空间进行分配，如果找不到足够大的连续空间，则返回 NULL
• 分配的内存是未初始化的，即其中的数据是不确定的，需要手动初始化。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int size;
    int* arr;
    printf("Enter the size of the array: ");
    scanf("%d", &size);
    // 使用malloc函数动态分配内存
    arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!");
        return 1;
    }
    printf("Enter %d elements:\n", size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }
    printf("The elements you entered are: ");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    // 释放已分配的内存
    free(arr);
    return 0;
}

上面的程序实现了以下步骤：

1. 用户输入数组的大小。
2. 使用 malloc 函数动态分配足够大的内存空间来存储整数数组。
3. 检查内存分配是否成功，如果分配失败，则输出错误信息并结束程序。
4. 用户输入数组的元素。
5. 打印用户输入的数组元素。
6. 使用 free 函数释放分配的内存空间。

2. calloc函数

• calloc 函数用于动态地分配指定数量和大小的内存空间，并将其初始化为0。
• 它接受两个参数，第一个是需要分配的元素数量，第二个是每个元素的大小（以字节为单位）。

int ptr = (int)calloc(5, sizeof(int));

• calloc 函数在堆上找到足够大的内存空间进行分配，并将所有字节初始化为0。
• 分配的内存是初始化过的，不需要手动初始化。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int size;
    int* arr;
    printf("Enter the size of the array: ");
    scanf("%d", &size);
    // 使用calloc函数动态分配内存，并将内存初始化为0
    arr = (int*)calloc(size, sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!");
        return 1;
    }
    printf("Enter %d elements:\n", size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }
    printf("The elements you entered are: ");
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    // 释放已分配的内存
    free(arr);
    return 0;
}

       上面的代码功能跟上面 malloc 函数的示例表达的功能一样这里不做过多的解释，记得在完成使用动态分配的内存后，使用 free 函数释放已分配的内存，以免出现内存泄漏。

3. realloc函数

• realloc 函数用于重新调整之前分配的内存空间的大小。
• 它接受两个参数，第一个是之前分配内存的起始地址，第二个是需要调整的新大小（以字节为单位）

ptr = (int*)realloc(ptr, 10 * sizeof(int));

• realloc 函数将尝试在原始内存空间上重新调整大小，如果成功，则返回调整后的内存地址；如果原始内存空间不够大或者其他错误，则返回 NULL
• 若新大小大于原始大小，则新增的字节未初始化；若新大小小于原始大小，则超出新大小的部分将被丢弃。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
    int size;
    int* arr;
    printf("Enter the size of the array: ");
    scanf("%d", &size);
    // 使用malloc函数动态分配内存
    arr = (int*)malloc(size * sizeof(int));
    if (arr == NULL) {
        printf("Memory allocation failed!");
        return 1;
    }
    printf("Enter %d elements:\n", size);
    for (int i = 0; i < size; i++) {
        scanf("%d", &arr[i]);
    }
    // 重新分配内存，将数组大小调整为10
    int newSize = 10;
    int* newArr = (int*)realloc(arr, newSize * sizeof(int));
    if (newArr == NULL) {
        printf("Memory reallocation failed!");
        free(arr);  // 释放之前分配的内存
        return 1;
    }
    // 更新指针arr的引用
    arr = newArr;
    // 打印数组元素
    printf("The elements you entered are: ");
    for (int i = 0; i < newSize; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    // 释放分配的内存
    free(arr);
    return 0;
}

        首先使用 malloc 函数动态分配内存，并在之后的 realloc 操作中进行了适当的错误处理。如果 realloc 函数返回 NULL ，表示内存调整失败，此时会输出错误信息并释放之前分配的内存。如果 realloc 函数成功，则将新分配的内存地址赋给 arr 指针，并继续使用调整后的内存。在最后，使用 free 函数释放分配的内存空间，并返回 0 表示程序正常结束

4. free函数

• free 函数用于释放之前动态分配的内存空间。
• 传入 free 函数的参数是之前分配的内存块的起始地址。
• 调用free函数将释放所指定的内存空间，使其可供之后的malloc、calloc、realloc等函数重新使用。

       这些动态内存管理函数提供了灵活的内存分配和释放能力，可以根据需要动态调整内存的大小。然而，需要确保正确使用，避免内存泄漏和野指针等问题。建议在每次分配内存后检查分配是否成功，以及在适当的时候使用 free 函数释放不再需要的内存。

void Test ()
{
    int* p1 = (int*) malloc(sizeof(int));
    free(p1);
    int* p2 = (int*)calloc(4, sizeof (int));
    int* p3 = (int*)realloc(p2, sizeof(int)*10);
    // 这里需要free(p2)吗？  答：不用
    free(p3 );
}

       上面的代码中不需要 free(p2) 因为当调用realloc函数时，如果成功调整了内存大小，那么原始内存区域的内容将被复制到新分配的内存，并且原始的内存空间会被释放。因此，在这种情况下，不需要再手动调用 free(p2) 来释放原始的内存空间，因为realloc函数已经负责处理了。