C 語言記憶體區域劃分與動態管理：堆、棧、靜態區全解析

編輯：關於C語言

一、五大記憶體區域職責

區域	管理方式	存放內容	生命週期
棧區	編譯器自動分配/釋放	區域變數、函數參數、返回位址、暫存器溢出	函數呼叫期間
堆區	程式設計師手動 `malloc/free`	動態分配物件、大型緩衝區	手動釋放前持續存在
靜態/全域區	連結器配置，程式啟動初始化	`static` 變數、全域變數、字串常值	程式整個執行期間
常數區	唯讀記憶體段	字串字面值、`const` 全域變數	程式執行期間，不可修改
程式碼區	唯讀	CPU 指令、函數機器碼	程式執行期間

二、動態記憶體分配核心 API

`malloc`：原始位元組分配

void *malloc(size_t size);
// 回傳對齊後的位址，內容未初始化（隨機值）
int *p = malloc(10 * sizeof(int)); // 分配 10 個 int 空間

`calloc`：歸零分配

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);
// 分配 nmemb * size 位元組並全部設為 0
int *p = calloc(10, sizeof(int)); // 等效 malloc + memset 0

`realloc`：調整大小

void *realloc(void *ptr, size_t new_size);
// 1. 原地擴展（位址不變）若後方有足夠空閒空間
// 2. 新分配 + 複製舊資料 + 釋放舊塊（位址改變）
// 3. new_size=0 等效 free(ptr)
int *p = malloc(4 * sizeof(int));
p = realloc(p, 100 * sizeof(int)); // 必須用回傳值更新指標！

三、記憶體操作函數族

函數	用途	關鍵差異
`memset(ptr, val, n)`	將 n 位元組設為 val（以 unsigned char 逐位元組填充）	逐位元組填充，`memset(p, 1, 4)` 使每個 int 變 0x01010101 ≠ 1
`memcpy(dst, src, n)`	複製 n 位元組，來源與目的不可重疊	高效、不檢查重疊
`memmove(dst, src, n)`	複製 n 位元組，安全處理重疊	內部判斷方向複製，稍慢於 memcpy
`memcmp(s1, s2, n)`	比較前 n 位元組，回傳 <0, 0, >0	按 unsigned char 比較

四、完整實戰範例：動態字串陣列管理

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

#define INIT_CAP 4
#define GROW_FACTOR 2

typedef struct {
    char **data;
    size_t len;
    size_t cap;
} StrArray;

StrArray *sa_create() {
    StrArray *sa = malloc(sizeof(StrArray));
    sa->data = malloc(INIT_CAP * sizeof(char*));
    sa->len = 0; sa->cap = INIT_CAP;
    return sa;
}

void sa_push(StrArray *sa, const char *str) {
    if (sa->len == sa->cap) {
        sa->cap *= GROW_FACTOR;
        sa->data = realloc(sa->data, sa->cap * sizeof(char*));
    }
    sa->data[sa->len] = strdup(str); // strdup = malloc + strcpy
    sa->len++;
}

void sa_destroy(StrArray *sa) {
    for (size_t i = 0; i < sa->len; i++) free(sa->data[i]);
    free(sa->data);
    free(sa);
}

int main() {
    StrArray *sa = sa_create();
    sa_push(sa, "Hello");
    sa_push(sa, "World");
    sa_push(sa, "C Language");
    
    for (size_t i = 0; i < sa->len; i++)
        puts(sa->data[i]);
    
    sa_destroy(sa);
    return 0;
}