第一章：回顾知识
1.1 虚拟地址空间
- 为了更好的管理程序，操作系统将虚拟地址空间分为了不同的内存区域，这些内存区域存放的数据、用途、特点等皆有不同，下面是 Linux 下 32 位环境的经典内存模型，如下所示：
- 每个内存区域的特点，如下所示：
| 内存分区 | 说明 |
|---|---|
| 程序代码区（code） | 存储程序的执行代码，通常为只读区，包含程序的指令。 程序启动时，这部分内存被加载到内存中，并不会在程序执行期间改变。 |
| 常量区（constant） | 存放程序中定义的常量值，通常也是只读的，这些常量在程序运行期间不可修改。 |
| 全局数据区（global data） | 存储程序中定义的全局变量和静态变量。 这些变量在程序的整个生命周期内存在，且可以被修改。 |
堆区（heap，⭐） | 用于动态分配内存，例如：通过 malloc 或 new 分配的内存块。 堆区的内存由程序员手动管理，负责分配和释放。 如果程序员不释放，程序运行结束时由操作系统回收。 |
| 动态链接库 | 动态链接库（如： .dll 或 .so 文件）被加载到内存中特定的区域，供程序运行时使用。 |
| 栈区（stack） | 用于存储函数调用的局部变量、函数参数和返回地址。 栈是自动管理的，随着函数的调用和返回，栈上的内存会自动分配和释放。 |
提醒
- ① 程序代码区、常量区、全局数据区在程序加载到内存后就分配好了，并且在程序运行期间一直存在，不能销毁也不能增加（大小已被固定），只能等到程序运行结束后由操作系统收回，所以全局变量、字符串常量等在程序的任何地方都能访问，因为它们的内存一直都在。
- ② 函数被调用时，会将参数、局部变量、返回地址等与函数相关的信息压入栈中，函数执行结束后，这些信息都将被销毁。所以局部变量、参数只在当前函数中有效，不能传递到函数外部，因为它们的内存不在了。
- ③ 常量区、全局数据区、栈上的内存由系统自动分配和释放，不能由程序员控制。
程序员唯一能控制的内存区域就是堆（Heap）：它是一块巨大的内存空间，常常占据整个虚拟空间的绝大部分，在这片空间中，程序可以申请一块内存，并自由地使用（放入任何数据）。堆内存在程序主动释放之前会一直存在，不随函数的结束而失效。在函数内部产生的数据只要放到堆中，就可以在函数外部使用。
- 在 64 位 Linux 环境下，虚拟地址空间大小为 256TB，Linux 将高 128TB 的空间分配给内核使用，而将低 128TB 的空间分配给用户程序使用，如下所示：
提醒
- ①
程序代码区，也可以称为代码段；而全局数据区和常量区，也可以称为数据段。 - ②
全局数据区分为初始化数据段（存储已初始化的全局变量和静态变量）和未初始化数据段（存储未初始化的全局变量和静态变量）；常量区也称为只读数据段，通常是只读的，防止数据被修改。 - ③ 冯·诺依曼体系结构中的
程序，也被称为存储式程序，需要通过加载器（Loader），将程序从硬盘加载到内存中运行。 - ④
存储式程序中的程序分为指令和数据；其中，代码段中保存的是指令，数据段中保存的是数据。
1.2 栈区的内存管理及其特点
1.3 堆区的内存管理及其特点
第二章：C 语言中的动态内存分配（⭐）
2.1 概述
malloc 是 C 语言中用于动态分配内存的函数，所分配的内存不会随着程序结束而自动释放，除非操作系统负责回收。这意味着，在程序运行期间，使用 malloc 分配的内存如果不手动释放（即使用 free() 函数释放），程序本身并不会自动回收这些内存。
具体情况如下：
程序运行期间：
在程序运行过程中，使用malloc分配的内存必须由程序显式地调用free()来释放。如果不这样做，就会造成内存泄漏，即这些内存永远不会再被程序使用，直到程序结束。程序结束后：
当程序完全结束后，操作系统通常会收回该程序所占用的所有资源，包括malloc分配的内存。因此，程序终止后，尽管没有调用free()，操作系统仍然会回收这些动态分配的内存。为什么还是要手动释放？
尽管程序终止后内存会被操作系统回收，但如果你的程序是一个长时间运行的应用（如服务器、后台服务），持续的内存泄漏将会导致内存的不可用部分不断增多，最终导致系统内存耗尽。因此，为了保证程序的健壮性和高效性，在程序运行中及时手动释放内存是非常重要的。
例子：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main() {
int *ptr = (int *)malloc(10 * sizeof(int)); // 动态分配内存
if (ptr == NULL) {
printf("内存分配失败\n");
return 1;
}
// 使用分配的内存
for (int i = 0; i < 10; i++) {
ptr[i] = i;
printf("%d ", ptr[i]);
}
printf("\n");
free(ptr); // 手动释放内存
return 0;
}在这个例子中，malloc 分配了 10 个整数的内存，并在最后通过 free() 释放了这部分内存。如果没有调用 free()，那么在程序运行期间这部分内存将无法被重新使用，导致内存泄漏，但程序终止后，操作系统还是会回收它。
总结来说，尽管操作系统会在程序结束时回收内存，但在程序运行过程中，我们仍然需要显式地释放通过 malloc 分配的内存以防止内存泄漏。
是的，尽管操作系统会在程序终止时回收程序所占用的内存资源，仍然建议手动释放通过 malloc 分配的内存。有几个原因：
良好的编程习惯：及时释放动态分配的内存有助于养成良好的编程习惯。内存泄漏虽然在程序终止时会被操作系统回收，但在长时间运行的程序或嵌入式系统中，内存泄漏会逐渐耗尽可用内存，导致程序运行效率低下，甚至崩溃。
动态库和插件环境：如果你编写的是动态库或插件，这些代码可能在应用程序的生命周期内被多次加载和卸载。如果不手动释放内存，内存泄漏可能累积，导致更严重的问题。
避免误用或未及时释放：即使操作系统会回收内存，如果程序运行中频繁分配而不释放内存，可能会导致内存使用量过大，甚至超出系统资源，特别是在长时间运行的服务或应用中。这会使程序在运行过程中性能下降或出现异常。
跨平台行为差异：虽然大多数现代操作系统会在程序退出时自动回收内存，但在某些嵌入式系统或资源有限的环境中，可能不会有这样的机制。因此，手动释放内存是一种更为安全的选择。
总结来说，尽管操作系统最终会释放程序终止时的内存，手动释放动态分配的内存仍然是一个良好的编程实践，能够提高代码的健壮性和可维护性。
在 C 语言中，使用 malloc 动态分配内存后，需要使用 free 来释放内存，主要原因有以下几点：
1. 避免内存泄漏
当使用 malloc 动态分配内存时，系统为程序分配了一块指定大小的内存，而这块内存不会在使用完毕后自动释放。只有通过调用 free 函数，操作系统才能将这块内存标记为可重新使用。如果不调用 free，内存将一直被程序占用，直到程序结束，这会导致内存泄漏。
内存泄漏的危害在于：
- 耗尽系统内存：程序长期运行而不释放内存会逐渐消耗系统内存资源，最终可能导致系统或程序崩溃。
- 性能下降：随着内存泄漏积累，系统内存资源减少，导致程序运行速度变慢或出现资源不足问题。
2. 提高程序的内存管理效率
手动管理内存允许程序员根据需要灵活地分配和释放内存资源。通过及时释放不再使用的内存，可以有效地提高程序的内存利用效率，使系统能够将这些内存重新分配给其他任务。这对于长期运行的程序，尤其是服务器或后台进程，尤为重要。
3. 避免程序异常行为
如果不及时释放内存，不仅会导致内存泄漏，还可能导致程序出现意外行为，例如：
- 内存碎片化：当分配和释放内存的顺序不一致时，内存会变得零碎化，剩余的内存虽然总量足够，但可能无法满足某次较大的分配请求，从而导致分配失败。
- 内存访问问题：未释放的内存在后续程序运行中可能仍被访问，如果程序继续使用这块已过期的内存，可能会出现不可预知的错误或崩溃。
4. 符合动态内存分配的对称性原则
malloc 和 free 是一对相互配合的函数。malloc 用于申请内存，而 free 则用于归还这块内存。这种对称性使得内存管理变得可控和可维护，符合编程中资源管理的基本原则：谁申请资源，谁负责释放资源。
5. 防止其他潜在的内存管理问题
悬空指针（Dangling Pointer）：如果没有正确使用
free释放内存，并继续使用释放前的指针，可能会导致悬空指针问题。调用free后通常也应将指针置为NULL，以避免无效的指针引用。内存重用问题：在不释放内存的情况下重新分配内存，可能导致内存重叠或不可预期的行为。
总结
通过 free 释放动态分配的内存，可以避免内存泄漏、提高内存管理效率、减少异常行为以及确保程序的健壮性。总的来说，良好的内存管理实践要求在使用 malloc 分配内存后，在合适的时机释放这些内存，以保证程序的稳定性和高效性。