C语言学习 C程序的内存模型 2025年6月10日08:55:13

堆栈与内存管理

堆栈(Stack) :

后进先出(LIFO) 线性数据结构包含压栈(Push) ,弹栈(Pop)

用途:临时存储数据(函数调用,局部变量)

管理:由系统自动分配和回收速度快 ,容量有限!

堆栈代码示例:

//堆栈示例 :局部变量
void getText()
{int text=20;//储存在堆栈中
}

内存管理:

程序运行时内存的分配,使用和释放

静态内存(编译时分配)

堆栈内存(自动管理):高地址向低地址增长 生命周期与函数调用绑定

堆内存(动态分配) : 手动管理 ,灵活性高, 易引发内存泄漏或碎片 malloc ,free 等函数实现动态管理 低地址向高地址增长 手动控制生命周期和释放适用于储存大小不确定或生命周期长的数据

堆内存代码示例:

//堆内存 示例
void getText()
{
int*text=(int*)malloc(sizeof(int));//手动分配
*text=20;//把指针指向内存地址中的值修改为20
free(text);//手动释放
text=NULL;//避免野指针}

小拓展(重点必看):

delete[] arr;    // C++释放数组指针指向的是内存地址
*text=20;// 是把指针指向内存地址 的 值修改为20 地址并没改变!!!
text=20; //是把指针地址改为20,可能会导致错误(20地址可能未分配)详细说明:
分配后：
text → 0x1000 [未初始化]*text = 20 操作后：
text → 0x1000 [值为20]text = 20 操作后：
text → 0x0014 [非法地址] 程序崩溃特殊例子:
int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
for (int i = 0; i < 10; i++) {arr[i] = i * 2;  // 等价于 *(arr+i) = i*2
}防止指针误操作:
const int* ptr; // 指向的数据不可变  
int* const ptr; // 指针本身不可变

常见问题

栈溢出:递归深度过大,局部变量占用过多空间解决办法:优化递归或用堆内存 内存泄漏: 未释放堆内存,需确保 malloc 与 free 配对使用或用(智能指针)C++ 堆内存野指针: 释放后未正确把指针设置为NULL

普通指针野指针:指针初始化时应明确指向有效内存或设为nullptr。在指针指向的对象被销毁后（如局部变量离开作用域），应避免继续使用该指针。避免返回局部变量的指针

C语言内存泄漏的检测与处理

危害:程序崩溃,性能下降

检测方法:

1.静态检测方法

使用工具分析代码 :Cppcheck、Clang Static Analyzer、Coverity

举例使用静态工具:

//控制台输入 使用 cppcheck 工具分析
cppcheck --enable=all ./your_code.c

2.动态检测方法

使用工具分析运行:Valgrind（Linux/macOS）,AddressSanitizer（ASan）（GCC/Clang）

举例使用动态工具:

// 使用valgrind 输出泄漏内存的调用栈
valgrind --leak-check=full ./your_program  
//使用AddressSanitizer 输出泄漏位置和代码行
gcc -fsanitize=address -g your_code.c -o output  
./output

3.自定义检测封装函数(调试时使用!)

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#define MALLOC(size) _malloc_debug(size, __FILE__, __LINE__) void* _malloc_debug(size_t size, const char* file, int line) {  void* p = malloc(size);  //调用malloc进行内存分配,分配结果保存在指针 p 中printf("output %zu bytes at %s:%d\n", size, file, line);  return p;  
}  
//这是一个指针函数的宏定义
//传递的参数为(请求分配的内存字节数,调用的源文件名,调用的源代码行号)
//使用方法:将所有使用 malloc 的地方替换为 MALLOC 宏：
//举例:int* arr = (int*)MALLOC(10 * sizeof(int));

处理方法:

构建统一清理函数,在可能发生异常的代码段前提前清理

void cleanup(int* a, FILE* f) {if (a) free(a);//清理堆内存if (f) fclose(f);//关闭文件
}void risky_operation() {int* data = malloc(100);FILE* file = fopen("test.txt", "r");if (file == NULL) {//如果文件打开失败 或者不存在 执行以下清除处理cleanup(data, NULL); //调用函数return; //返回函数调用时位置}cleanup(data, file); //不管前面是否被处理这里强制清理
}