在C语言中，指针是访问内存的重要工具，而内存管理则是确保程序稳定运行和高效利用资源的关键。

动态内存分配与释放

在C语言中，除了使用静态分配的数组和变量外（数据段），还可以通过动态内存分配函数（如malloc、calloc、realloc和free）在程序运行时根据需要分配和释放内存（堆区）。

动态内存分配函数

• malloc(size_t size): 分配指定字节数的内存，并返回一个指向该内存的指针。如果分配失败，返回NULL。
• calloc(size_t num, size_t size): 分配一个包含num个元素的数组，每个元素的大小为size字节，并自动将分配的内存初始化为零。如果分配失败，返回NULL。
• realloc(void *ptr, size_t size): 调整之前调用malloc或calloc分配的内存块的大小。ptr是指向要调整大小的内存块的指针，size是新的大小。如果调整成功，返回指向新内存块的指针（可能与ptr相同，也可能不同）。如果失败，返回NULL，并且原内存块保持不变。
• free(void *ptr): 释放之前调用malloc、calloc或realloc分配的内存。ptr是指向要释放的内存块的指针。

为什么malloc的时候传递字节数，而free的时候却不需要传递字节数呢？会不会释放多了或者释放少了？

示例代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *arr = (int *)malloc(5 * sizeof(int)); // 分配一个包含5个整数的数组
    if (arr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    // 使用数组
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        arr[i] = i * 2;
    }

    // 打印数组内容
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        printf("%d ", arr[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(arr);

    return 0;
}

推荐阅读：内存管理

内存泄漏

内存****泄漏是指程序在动态分配内存后，没有正确地释放这些内存，导致这些内存无法被其他程序或后续操作使用。内存泄漏会导致系统性能下降，甚至可能导致系统崩溃。

推荐几个调试内存泄漏的方法：

• 使用工具：如Asan或者Valgrind（在Linux上）等内存检查工具可以帮助识别内存泄漏和其他内存问题。
• 手动检查：在代码中添加适当的free调用，确保每个malloc、calloc或realloc都有对应的free。
• 编写代码时养成良好的习惯：在分配内存后立即检查返回值是否为NULL，并在使用完内存后立即释放，特别是if-else分支的处理上，尤其需要注意要释放内存。（后续你使用C++时，可以使用更方便的内存管理编码技巧）

悬挂指针与野指针问题

悬挂指针是指指向已经被释放的内存的指针。悬挂指针通常发生在释放内存后仍然保留该内存地址的指针变量上。

危害：如果尝试通过悬挂指针访问内存，将导致未定义行为，可能导致程序崩溃或数据损坏。

野指针是指未初始化或未正确赋值的指针。野指针可能指向任意内存地址，包括无效的内存区域或受保护的内存区域。

识别与防范

• 初始化指针：在声明指针时立即将其初始化为NULL或指向有效的内存地址。
• 避免悬挂指针：在释放内存后将指针设置为NULL。
• 检查指针的有效性：在访问指针指向的内存之前，检查指针是否为NULL。

示例代码（避免悬挂指针）

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
        return 1;
    }

    *ptr = 42;
    printf("Value: %d\n", *ptr);

    // 释放内存并将指针设置为NULL
    free(ptr);
    ptr = NULL; // 如果不设置NULL，就会出现悬挂指针

    // 避免使用悬挂指针
    // if (ptr != NULL) { // 这行代码是多余的，因为ptr已经被设置为NULL
    //     printf("Avoiding dangling pointer\n");
    // }

    // 尝试访问悬挂指针将导致未定义行为（已注释掉）
    // printf("Value after free: %d\n", *ptr); // 不要这样做！

    return 0;
}

内存对齐与结构体布局

内存对齐是指编译器在分配结构体成员时，为了优化内存访问速度和数据一致性，将成员按一定的规则对齐到特定的内存地址上。

原因：某些硬件平台在访问未对齐的内存时会导致性能下降或引发异常。

结构体布局的优化与调整

我们可以通过以下策略对结构体布局进行优化和调整：

• 使用#pragma pack指令指定结构体以几字节对齐。
• 通过调整成员变量的顺序来优化结构体布局，以减少内存填充（空洞）（padding）。
• 使用sizeof运算符和offsetof宏（在stddef.h中）来检查结构体的大小和成员偏移量。

示例代码（检查结构体布局）

#include <stdio.h>
#include <stddef.h>

struct A {
    char a;
    int b;
    short c;
};

struct B {
    char a;
    short c;
    int b;
};

int main() {
    printf("Size of struct A: %zu\n", sizeof(struct A));
    printf("Offset of a in struct A: %zu\n", offsetof(struct A, a));
    printf("Offset of b in struct A: %zu\n", offsetof(struct A, b));
    printf("Offset of c in struct A: %zu\n", offsetof(struct A, c));

    printf("Size of struct B: %zu\n", sizeof(struct B));
    printf("Offset of a in struct B: %zu\n", offsetof(struct B, a));
    printf("Offset of c in struct B: %zu\n", offsetof(struct B, c));
    printf("Offset of b in struct B: %zu\n", offsetof(struct B, b));

    return 0;
}

输出结果（https://godbolt.org/z/zc4TeEnab）：

Size of struct A: 12
Offset of a in struct A: 0
Offset of b in struct A: 4
Offset of c in struct A: 8
Size of struct B: 8
Offset of a in struct B: 0
Offset of c in struct B: 2
Offset of b in struct B: 4

通过比较struct A和struct B的大小和成员偏移量，可以看到不同的成员顺序会导致不同的内存布局和填充。在实际编程中，应根据需要优化结构体布局以减少内存占用和提高性能（很重要）。