面试题：C语言中堆内存与栈内存分配的区别

Question

请详细阐述C语言中堆内存分配（如使用malloc等函数）和栈内存分配（如局部变量的分配）在分配方式、生命周期、内存管理等方面的区别。

Answer 1

分配方式

1. 堆内存分配：
   • 使用函数如malloc、calloc、realloc等来手动分配内存。例如，int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));通过malloc函数向操作系统请求一块指定大小的内存空间，返回一个指向该内存起始地址的指针。分配的内存位置是由操作系统的堆管理器在堆空间中动态确定的，不一定是连续的内存块。
2. 栈内存分配：
   • 当函数被调用时，其局部变量在栈上自动分配内存。例如，在函数void func() { int num; }中，num变量在函数func被调用时，会在栈上自动分配一个int类型大小的内存空间。栈内存的分配是由编译器自动处理的，按照一定的规则（通常是后进先出），分配的内存是连续的，并且随着函数调用的结束自动释放。

生命周期

1. 堆内存分配：
   • 生命周期从调用内存分配函数（如malloc）成功开始，直到调用相应的释放函数（如free）为止。如果在程序中没有及时调用free释放堆内存，会导致内存泄漏。例如，下面的代码中如果没有free(ptr)，ptr指向的堆内存一直不会被释放：

int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
// 使用ptr
// 没有free(ptr)会导致内存泄漏

2. 栈内存分配：
   • 栈内存中局部变量的生命周期与函数的调用和返回紧密相关。当函数被调用时，局部变量在栈上分配内存，函数执行结束时，栈上为这些局部变量分配的内存自动被释放。例如：

void func() {
    int num = 10;
    // num在函数调用时分配内存
}
// 函数结束，num占用的栈内存自动释放

内存管理

1. 堆内存分配：
   • 开发者需要手动管理堆内存的释放。在使用完堆内存后，必须调用free函数释放已分配的内存，否则会造成内存泄漏。例如：

int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
// 使用ptr
free(ptr);

• 堆内存的分配和释放可能会导致内存碎片的产生。频繁的分配和释放不同大小的内存块，可能会使得堆中出现一些不连续的空闲内存块，这些小块内存无法满足后续较大内存分配请求，从而降低内存的使用效率。

2. 栈内存分配：
   • 编译器自动管理栈内存的分配和释放，开发者无需手动干预。当函数返回时，栈帧被销毁，栈上的局部变量内存自动释放。这使得栈内存管理相对简单，不容易出现内存泄漏问题。但栈的大小通常是有限的，如果局部变量过多或者递归调用过深，可能会导致栈溢出错误。例如：

void recursiveFunc() {
    int largeArray[1000000];
    recursiveFunc();
    // 可能导致栈溢出
}