C 語言記憶體管理 (Memory Management)

在 C 語言中，我們對於記憶體有絕對的控制權。這是一把雙面刃：用得好效能飛天，用不好程式崩潰 (Segmentation Fault) 或造成記憶體洩漏 (Memory Leak)。

Stack vs Heap

記憶體主要分為兩區：

  1. Stack (堆疊)：
    • 儲存區域變數 (Local Variables)、函式參數。
    • 自動管理：函式結束時自動釋放。
    • 空間較小，存取速度快。
    • 特點：生命週期短，隨函式生滅。
  2. Heap (堆積)：
    • 手動管理：程式設計師負責申請 (malloc) 和釋放 (free)。
    • 空間較大，適合儲存動態大小的資料 (例如讀去未知大小的檔案)。
    • 特點：生命週期長，直到被 free 或程式結束才消失。

動態記憶體配置函式

這些函式都在 <stdlib.h> 中。

1. malloc (Memory Allocation)

配置指定 byte 大小的記憶體。注意：它不會初始化內容（裡面可能是垃圾值）。

// 配置一個整數的空間
int* ptr = (int*)malloc(sizeof(int));

// 配置 5 個整數的陣列空間
int* arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));

2. calloc (Contiguous Allocation)

配置記憶體，並將內容全部初始化為 0。速度比 malloc 稍慢，但較安全。

// 配置 5 個整數，且保證 arr[0]...arr[4] 都是 0
int* arr = (int*)calloc(5, sizeof(int));

3. realloc (Re-Allocation)

重新調整已配置記憶體的大小（保留原內容）。

ptr = (int*)realloc(ptr, 10 * sizeof(int)); // 擴充成 10 個 int

4. free (釋放記憶體)

非常重要！ 用完的記憶體一定要歸還。

free(ptr);
ptr = NULL; // 最佳實踐：釋放後設為 NULL

常見陷阱 (Common Pitfalls)

動態記憶體管理是 Bug 的溫床，以下是最常見的三種錯誤。

1. 記憶體洩漏 (Memory Leak)

使用了 malloc 卻忘記 free，導致這塊記憶體一直被佔用，直到程式結束。如果是伺服器程式，記憶體會慢慢被吃光。

void leak() {
    int *p = malloc(100);
    // 做事...
    // 糟糕！忘記 free(p) 就離開了
}

2. 重複釋放 (Double Free)

對同一個位址 free 兩次，會導致程式崩潰。

free(ptr);
// ... 一堆程式碼 ...
free(ptr); // 錯誤！這裡會 Crash

解法：釋放後立刻將指標設為 NULL。對 NULL 呼叫 free 是安全的（什麼都不會發生）。

free(ptr);
ptr = NULL;

free(ptr); // 安全，因為 ptr 已經是 NULL

3. 使用已釋放的記憶體 (Use After Free)

記憶體還給系統了，卻還試著去讀寫它。這會導致不可預期的行為。

free(ptr);
*ptr = 10; // 錯誤！這塊地已經不是你的了

最佳實踐 (Best Practices)

  1. 檢查返回值：malloc 如果記憶體不足會回傳 NULL，務必檢查。

    int *p = malloc(sizeof(int) * 1000);
if (p == NULL) {
    fprintf(stderr, "記憶體配置失敗！\n");
    return 1;
}

  2. 誰配置，誰釋放 (Ownership)：

    • 如果函式內 malloc，盡量在同一個函式內 free。
    • 如果是工廠模式 (Factory Pattern) 產生物件，要在文件註明「呼叫者負責 free」。

  3. 配對寫法： 寫下 malloc 的當下，馬上在下面寫好 free，然後再把邏輯填在中間。

學會自己要記憶體，就要學會自己還。這就是 C 語言的哲學。