堆與棧是 C 程序內存管理的兩大基石。理解二者差異，是寫出無洩漏、無野指針、無棧溢出代碼的前提。
一、 核心對比
| 維度 | 棧 | 堆 |
|---|
| 管理方式 | 編譯器自動管理（幀指針 EBP/RBP） | 程序員手動管理 |
| 分配函數 | 函數調用隱式分配 | malloc/calloc/realloc |
| 釋放函數 | 函數返回隱式釋放 | free |
| 大小限制 | 較小（典型 1-8MB） | 大（受限於虛擬記憶體） |
| 分配速度 | 極快（指針遞增/遞減） | 較慢（查找空閒塊、分裂/合併） |
| 碎片化 | 無 | 有（外部碎片） |
| 適用對象 | 局部變量、函數參數、返回地址、保存的寄存器 | 動態大小、長生命週期、大對象、跨函數共享 |
二、 生命週期與作用域
- 棧上對象：生命週期 = 作用域 = 所在塊/函數執行期間。離開作用域自動銷毀，調用析構函數（C++）。
- 堆上對象：生命週期 = 從 malloc 到 free，可跨函數、跨線程、跨模塊。需程序員精確掌控。
三、 三大經典陷阱
- 棧上地址逃逸：
int* foo() { int x = 10; return &x; } // 錯誤：返回棧地址
// 調用者拿到野指針，後續棧幀復用導致數據損壞
修正：返回 malloc 內存、靜態變量、或輸出參數填充調用者提供的緩衝區。
- 棧溢出：
void foo() { char big[1024*1024]; foo(); } // 遞歸 + 大局部數組 → Stack Overflow
// 修正：大數組放靜態/堆、遞歸改迭代、增大棧大小（ulimit -s / linker 選項）
- 堆內存洩漏/雙重釋放/使用後釋放：
- 洩漏：malloc 無對應 free。
- 雙重 free：free 同一指針兩次 → heap corruption。
- Use-after-free：free 後繼續訪問 → 未定義行為。
修正：所有權語義明確（獨佔/共享）、RAII/智能指針、Valgrind/ASan 檢測。
四、 進階主題
- 棧幀佈局：參數 → 返回地址 → 舊 EBP → 局部變量（編譯器優化可能重排）。
- 調用約定：cdecl（調用者清棧）、stdcall（被調用者清棧）、fastcall（寄存器傳參）。
- 緩衝區溢出攻擊：覆蓋返回地址劫持控制流，防禦：棧保護金絲雀、ASLR、DEP/NX、安全函數。
- 自定義分配器：對象池、區域分配器、bump pointer，提升特定場景性能。
五、 最佳實踐清單
- 優先使用棧（自動管理、無洩漏、缓存友好）。
- 大對象（>1KB）、可變大小、需跨作用域 → 堆。
- malloc 立即檢查 NULL，free 後置 NULL。
- Valgrind/AddressSanitizer 納入 CI 流程。
- 嵌入式/實時系統：禁用堆，靜態池分配。
六、 總結
棚是「自動駕駛」，堆是「手動擋」。新手依賴自動駕駛，高手駕馭手動擋。記住：**每個 malloc 都要有對應的 free，每個指針都要知曉其所有權，每個棧地址都不準逃出作用域**。
