C 語言動態記憶體管理：malloc/free 實戰與記憶體洩漏防範

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C 語言動態記憶體管理：malloc/free 實戰

區域變數儲存在堆疊，函數返回即釋放。需跨函數生命週期或大小執行期決定的資料，必須使用堆記憶體。malloc/free 是 C 語言手動管理堆記憶體的核心組合。

核心函數

函數	原型	說明
malloc	`void *malloc(size_t size)`	分配 size 位元組，回傳起始位址 (void*)，失敗回傳 NULL
free	`void free(void *ptr)`	釋放 malloc 分配的記憶體，ptr 必須為 malloc 返回值或 NULL
calloc	`void *calloc(size_t n, size_t size)`	分配 n 個 size 位元組並歸零
realloc	`void realloc(void ptr, size_t size)`	調整已分配區塊大小，可能移動位址

基本使用模式

#include <stdlib.h>

Folder *f = malloc(sizeof(Folder));  // 分配單個節點
if (!f) { /* 處理分配失敗 */ }

f->level = 1;
f->filename = "first";
f->child = NULL;

// 使用完畢必須釋放
free(f);
f = NULL;  // 防止野指標

關鍵規則與陷阱

sizeof 傳型別而非變數：malloc(sizeof(Folder)) 而非 sizeof(f)（後者為指標大小）
檢查 NULL：分配失敗回傳 NULL，解參考導致崩潰
成對使用：每個 malloc 對應一個 free，否則記憶體洩漏
釋放後置 NULL：free(ptr); ptr = NULL; 避免二次釋放/使用已釋放記憶體
釋放非 malloc 指標未定義：free(&local_var)、free(ptr+1) 皆錯誤

常見錯誤模式

// 錯誤 1：釋放後繼續使用
free(f);
printf("%s", f->filename);  // Use-after-free

// 錯誤 2：二次釋放
free(f);
free(f);  // Double free，破壞堆管理結構

// 錯誤 3：釋放堆疊記憶體
Folder local;
free(&local);  // 未定義行為

// 錯誤 4：忘記釋放（記憶體洩漏）
while (1) {
    Node *n = malloc(sizeof(Node));
    // 缺少 free(n)
}

除錯工具

Valgrind：valgrind --leak-check=full ./prog 檢測洩漏、越界、使用已釋放記憶體
AddressSanitizer (ASan)：編譯加 -fsanitize=address，運行時即時報錯
mtrace：Glibc 內建，mtrace() 記錄分配/釋放日誌

最佳實踐：封裝安全分配器

void *safe_malloc(size_t size) {
    void *p = malloc(size);
    if (!p) {
        fprintf(stderr, "FATAL: malloc(%zu) failed\n", size);
        exit(EXIT_FAILURE);
    }
    return p;
}

void safe_free(void **ptr) {
    if (ptr && *ptr) {
        free(*ptr);
        *ptr = NULL;
    }
}

// 使用
Folder *f = safe_malloc(sizeof(Folder));
// ...
safe_free((void**)&f);

封裝後統一錯誤處理、自動置 NULL、防止二次釋放，大幅降低記憶體錯誤率。