Linux C 庫函數大全：內存控制函數詳解與實戰案例

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前言：內存管理——C 語言程序員的核心基本功

在 Linux 系統編程中，動態內存的分配、釋放、映射、對齊直接決定程序的穩定性與性能。本文系統整理 stdlib.h、malloc.h、sys/mman.h 等頭文件中的核心內存控制函數，附帶原型、語義、錯誤處理、實戰代碼與避坑指南。

一、堆內存分配家族

1. `malloc`：基礎塊分配

void *malloc(size_t size);

分配 size 字節，**不初始化** 內容 (殘留垃圾值)。
成功返回對齊地址，失敗返回 NULL (必須檢查)。
釋放用 free。

int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
if (!arr) { perror("malloc"); exit(1); }
for (int i=0; i<10; i++) arr[i] = i;
free(arr);

2. `calloc`：零初始化陣列分配

void *calloc(size_t nmemb, size_t size);

分配 nmemb * size 字節，**自動清零** (等價 malloc + memset(0) 但可能更優化)。
適合結構體、陣列、安全敏感緩衝區。

int *p = calloc(10, sizeof(int)); // 全 0
char *str = calloc(10, sizeof(char));
strcpy(str, "Hello"); // 安全

3. `realloc`：動態調整大小

void *realloc(void *ptr, size_t size);

擴大/縮小已分配塊，**可能移動地址** (返回新地址)，舊數據自動拷貝 (縮小時截斷)。
ptr=NULL 等價 malloc；size=0 等價 free (實現定義)。
陷阱：ptr = realloc(ptr, ...) 直接賦值，若失敗返回 NULL 導致原指針丟失 → 內存洩漏。正確寫法：

void *tmp = realloc(ptr, new_size);
if (!tmp) { /* 錯誤處理，ptr 仍有效 */ }
else ptr = tmp;

4. `free`：釋放歸還

void free(void *ptr);

ptr 必須來自 malloc/calloc/realloc，否則未定義行為。
free(NULL) 安全無操作 (標準保證)。
釋放後指針成「懸空指針」，**嚴禁再次訪問**，良習：free(p); p = NULL;。

二、內存映射：`mmap` / `munmap`

將文件/設備直接映射到進程地址空間，**零拷貝** 讀寫，適合大文件、進程間共享內存。

1. `mmap`

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

prot：PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC|PROT_NONE。
flags：MAP_SHARED (寫回文件/進程可見) vs MAP_PRIVATE (COW 私有副本) —— **必二擇一**。
MAP_ANONYMOUS：無文件映射 (配合 fd=-1)，純內存共享區。
offset 必須頁對齊 (通常 4096)。

// 映射整個 /etc/passwd 只讀共享
int fd = open("/etc/passwd", O_RDONLY);
struct stat sb; fstat(fd, &sb);
void *map = mmap(NULL, sb.st_size, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
if (map == MAP_FAILED) { perror("mmap"); exit(1); }
printf("%s", (char*)map);
munmap(map, sb.st_size);
close(fd);