C语言中动态内存管理的完整指南和常见问题是什么？

C语言中动态内存管理的完整指南和常见问题是什么？

动态内存分配函数：

1. malloc - 分配内存

   c
   void *malloc(size_t size);
   
   // 分配指定字节数的内存
   int *arr = (int*)malloc(10 * sizeof(int));
   if (arr == NULL) {
       fprintf(stderr, "Memory allocation failed\n");
       exit(1);
   }
   
   // 使用内存
   for (int i = 0; i < 10; i++) {
       arr[i] = i * i;
   }
   
   // 释放内存
   free(arr);

2. calloc - 分配并初始化

   c
   void *calloc(size_t num, size_t size);
   
   // 分配并初始化为零
   int *arr = (int*)calloc(10, sizeof(int));
   // 所有元素自动初始化为0
   
   free(arr);

3. realloc - 重新分配

   c
   void *realloc(void *ptr, size_t size);
   
   int *arr = (int*)malloc(5 * sizeof(int));
   
   // 扩展内存
   int *new_arr = (int*)realloc(arr, 10 * sizeof(int));
   if (new_arr == NULL) {
       free(arr);  // 原内存仍然有效
       exit(1);
   }
   arr = new_arr;
   
   free(arr);

4. free - 释放内存

   c
   void free(void *ptr);
   
   int *ptr = (int*)malloc(sizeof(int));
   free(ptr);
   ptr = NULL;  // 避免悬空指针

内存管理最佳实践：

1. 检查分配结果

   c
   void *ptr = malloc(size);
   if (ptr == NULL) {
       // 处理内存分配失败
       return NULL;
   }

2. 避免内存泄漏

   c
   void function_with_leak() {
       int *ptr = malloc(sizeof(int));
       // 忘记 free(ptr) - 内存泄漏
   }
   
   void correct_function() {
       int *ptr = malloc(sizeof(int));
       if (ptr) {
           // 使用内存
           free(ptr);
       }
   }

3. 防止悬空指针

   c
   int *ptr = malloc(sizeof(int));
   free(ptr);
   ptr = NULL;  // 避免使用已释放的内存
   
   // 错误示例
   *ptr = 10;  // 未定义行为

4. 双重释放防护

   c
   int *ptr = malloc(sizeof(int));
   free(ptr);
   ptr = NULL;  // 设置为NULL
   
   free(ptr);  // free(NULL) 是安全的

常见问题和解决方案：

1. 内存碎片

   c
   // 问题：频繁分配和释放不同大小的内存
   for (int i = 0; i < 1000; i++) {
       void *ptr = malloc(rand() % 1000);
       free(ptr);
   }
   
   // 解决：使用内存池或固定大小分配

2. 缓冲区溢出

   c
   // 危险
   int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
   arr[10] = 100;  // 越界访问
   
   // 安全
   int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
   if (index < 10) {
       arr[index] = value;
   }

3. 野指针

   c
   int *ptr;  // 未初始化
   *ptr = 10;  // 未定义行为
   
   // 正确做法
   int *ptr = NULL;
   ptr = malloc(sizeof(int));
   if (ptr) {
       *ptr = 10;
       free(ptr);
       ptr = NULL;
   }

高级技巧：

1. 自定义内存分配器

   c
   void* my_malloc(size_t size) {
       void *ptr = malloc(size);
       if (ptr) {
           memset(ptr, 0, size);  // 清零
       }
       return ptr;
   }

2. 内存调试

   c
   #ifdef DEBUG
       void *debug_malloc(size_t size, const char *file, int line) {
           void *ptr = malloc(size);
           printf("Allocated %zu bytes at %p (%s:%d)\n", 
                  size, ptr, file, line);
           return ptr;
       }
       #define MALLOC(size) debug_malloc(size, __FILE__, __LINE__)
   #else
       #define MALLOC(size) malloc(size)
   #endif