面试八股：C语言内存模型-优快云博客

一，C语言内存模型基本结构

一，C语言内存模型基本结构

C 语言内存模型，是程序运行时内存分配和管理的核心，它定义了程序如何使用内存资源
C 语言内存模型主要分为几个区域，每个区域有不同的特性和用途

1，堆与栈的区别

C 语言中，内存分为栈区，堆区，全局区（也叫静态区）

栈区：临时储物柜（自动开关）
用于存储函数内部的局部变量，比如 int a = 10;

栈的特点是自动管理，变量的生命周期和函数的调用紧密相关。

函数调用时，栈会为局部变量分配空间；函数结束时，栈上的变量会自动销毁，空间被回收

这种自动管理机制，使得栈非常高效，但也限制了变量的生命周期

void func() {
    int local; // 在栈区，函数结束时自动销毁
}

栈的生长方向，高地址 --> 低地址，这意味着新分配的变量会占用更低的内存地址

堆区：自选仓库（手动管理）

用于存储动态分配的内存，通过 malloc() 手动申请内存空间

比如 int *p = malloc(100);

和栈不同，堆上的内存不会随着函数结束而自动释放，必须由程序员通过 free() 函数手动归还

如果不释放，可能导致内存泄漏

堆的生长方向通常是低地址向高地址生长，和栈相反

全局区：固定货架

用于存储函数外部定义的全局变量和静态变量

比如 int global;

或函数内的 static int s;

这些变量在程序启动时分配空间，直到程序结束才被销毁

全局区的内存分配是固定的，不会随函数调用变化

堆与栈生长方向相反的原因：

为了最大化内存空间的利用率

比如一个仓库，栈就像一个工人从仓库顶层（高地址）开始往下摆箱子（变量）

每次调用函数就在更低地址分配空间

而堆就像另一个人从仓库底部（低地址）开始往上堆箱子（动态内存）

每次分配内存就占用更高的地址

这样设计确保不会“撞车”，从而提高内存利用效率

栈的自动分配和释放机制使其适合存储临时数据，而堆的手动管理则适合需要长期存在的动态数据

2，全局变量与局部变量

变量的存储位置和生命周期，是理解 C 语言内存模型的重要部分

不同类型的变量存储在不同的内存区域

变量类型	存储位置	生命周期
函数外变量	全局区	程序结束才消失
malloc 分配	堆区	直到调用 free
字符串常量	只读区	程序结束才消失

全局变量：定义在函数外部，存储在全局区，生命贯穿整个程序运行
局部变量：定义在函数内部，存储在栈区，生命周期局限于函数调用期间
字符串常量：
char *s1 = "hello"，存储在只读区
char s2[] = "world"，将字符串复制到栈区，可以修改

char *s1 = "hello"; // 只读区（不可修改）
char s2[] = "world"; // 栈区（可修改）

问：堆 / 栈为什么生长方向相反？

答：比如两个工人搬货，栈工人从仓库顶层往下摆好箱子，也就是高地址 --> 低地址
；堆工人从仓库底开始，往上放箱子，低地址 --> 高地址
；不会撞车，空间利用率高
；区别在于，栈是自动的，而堆是手动分配的

栈空间：自动清理；速度快，只需要移动指针；大小 MB 级别

堆空间：手动申请 / 释放；较慢，要搜索空闲空间；大小 GB 级别

内存泄漏

// 栈使用（安全自动）
void safe_func() {
    int nums[100]; // 栈分配
} // 自动释放

// 堆使用
void risky_func() {
    int* nums = malloc(100 * sizeof(int)); // 堆分配
    if (nums == NULL) exit 1; // 需要检查
    // nums 的调用
    free(nums); // 需要释放
    nums = NULL; // 需要置空
}

3，内存对齐与填充

C 语言中，内存对齐影响数据的存储方式和访问效率

内存对齐指的是数据在内存中的地址必须是某个特定值的倍数

（比如 2，4，8 的倍数）

以便 CPU 能够更高效地访问数据

为什么需要内存对齐呢？
CPU 在读取内存数据时，通常以字（word，4 字节或 8 字节）为单位进行操作
如果数据没有对齐，CPU 需要多次读取内存并进行拼接操作，就会降低性能
所以，编译器会自动调整变量的存储位置，使其地址符合对齐要求

内存填充（Padding）
为了满足内存对齐的要求，编译器会在结构体中插入额外的字节（填充字节）
确保每个成员的地址符合对齐规则

  struct Example {
      char a;  // 1 字节
      int b;   // 4 字节，需要对齐到 4 字节边界
  };

这个结构体中，char a 占用 1 字节，但为了让 int b 的地址对齐到 4 字节边界

编译器会在 a 之后插入 3 个填充字节

所以，整个结构体的大小是 8 字节

对齐的影响
内存对齐虽然会增加内存使用量，但可以显著提高 CPU 访问数据的效率
在设计结构体时，程序员可以通过调整成员的顺序（大的类型在前）
以便减少填充的字节，从而优化内存使用

二，C 语言内存管理机制

C 语言不像一些高级语言（如 Java），有自动垃圾回收机制，它的内存分配释放完全由程序员手动控制

以下介绍内存分配函数，内存泄漏，内存管理三个方面

1，内存分配函数

malloc(), calloc(), realloc() 和 free()

这些函数允许程序员，在堆区动态分配和释放内存

malloc()：分配指定大小的内存空间，返回一个指向该空间的指针
malloc() 分配的内存是未初始化的，可能包含垃圾值

int *p = (int *)malloc(100 * sizeof(int));
if (p != NULL) {
    // 分配失败逻辑
    exit(1);
}

calloc()：类似 malloc()，但会将分配的内存初始化为 0
calloc() 接受两个参数，元素个数 + 每个元素的大小

int *p = (int *)calloc(100, sizeof(int));

realloc()：用于调整已分配内存的大小，可能返回一个新的指针
realloc() 可能会移动内存块，因此返回的指针可能与原来的不同

int *new_p = (int *)realloc(p, 200 * sizeof(int));
if (new_p == NULL) {
    // 失败逻辑
    free(p);
    exit(1);
}
p = new_p;

free()：释放动态分配的内存，必须与 malloc(), calloc() 或 realloc() 配对使用
free(p); p = NULL; // 释放后置空，防止野指针（指向已释放的内存）

2，内存泄漏

始终检查分配结果：调用 malloc() 检查返回指针是否为 NULL，确保内存分配成功
成对分配和释放
释放后置空为 NULL
避免多次释放
Valgrind 检测内存