C 語言記憶體分配陷阱：棧上陣列 vs 堆上 malloc 實測對比

面試真題回顧

某技術社團幹部面試遇到的經典記憶體分配題目：兩段外觀相似的程式碼，執行結果截然不同。核心差異在於 allocmem 函數內部採用區域陣列還是 malloc 分配記憶體。

程式碼對比

版本 A：區域陣列（棧上分配）

void allocmem(char **p) {
    char r[10] = {1};  // 區域陣列，存放於棧
    *p = r;            // 將棧位址賦給輸出指標
}

int main() {
    char *m = NULL;
    allocmem(&m);
    if (m) {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            printf("m[%d] = %d\n", i, m[i]);  // 輸出亂碼或崩潰
    }
}

執行結果：印出的值非預期的 1，而是隨機亂碼（見圖片）。

版本 B：malloc（堆上分配）

void allocmem(char **p) {
    *p = malloc(10);          // 堆上分配
    memset(*p, 1, 10);        // 初始化為 1
}

int main() {
    char *m = NULL;
    allocmem(&m);
    if (m) {
        for (int i = 0; i < 10; i++)
            printf("m[%d] = %d\n", i, m[i]);  // 正確輸出十個 1
    }
    free(m);  // 記得釋放！
}

執行結果：正確印出十個 1（見圖片）。

根本原因深度解析

記憶體佈局示意

版本 A 執行流程：
main() 呼叫 allocmem()
  ├─ allocmem() 棧幀建立
  │   ├─ r[10] 分配於棧頂
  │   └─ *p = &r[0]  ← 回傳棧位址
  └─ allocmem() 返回，棧幀銷毀，r[10] 記憶體標記為可重用
main() 繼續執行，m 指向已失效位址 → 未定義行為

版本 B 執行流程：
main() 呼叫 allocmem()
  └─ malloc(10) 向作業系統申請堆記憶體
     └─ 位址存放於 *p，函數返回後堆區塊仍屬進程所有
main() 透過 m 正常存取 → 正確結果

避坑指南與最佳實踐

1. 永遠不要回傳區域變數位址：編譯器通常會警告「returning address of local variable」。
2. 跨函數共享記憶體三種模式：
   • 呼叫端分配，被呼叫端填充：void func(char *buf, size_t len)
   • 被呼叫端 malloc，呼叫端 free（本文版本 B）
   • 靜態/全域緩衝區（線程不安全，慎用）
3. 善用工具偵測：valgrind、AddressSanitizer (`-fsanitize=address`) 能精準捕捉 Use-after-free、Stack-use-after-scope 等錯誤。
4. 現代 C++ 建議：改用 std::vector、std::string、std::unique_ptr 等 RAII 容器，從語言層面杜絕手動記憶體管理錯誤。

總結

這道題目揭示了 C 語言最核心也最危險的特性：手動記憶體管理與作用域生命週期。理解棧/堆差異、識別懸空指標，是從「能寫出跑得動的程式」進階為「寫出健壯、可維護系統程式」的必經之路。