STLG_01_16_程序设计C语言 - 存储管理

在C语言编程中，存储管理是一个非常重要的主题，它涉及到如何在程序中有效地分配、使用和释放内存资源。C语言提供了几种不同的内存管理方法，主要包括以下几种：

1. 静态存储分配

静态存储分配是指在程序编译时就已经确定了变量的存储空间。这种分配方式适用于全局变量和静态变量。

高效且安全

静态存储空间在编译时即已确定，因此访问效率高且安全性有保障，因为这部分内存是在程序运行前就分配好的，不会发生越界访问等错误。此外，静态存储区的数据在整个程序运行周期中都保持有效，这使得我们可以使用静态变量来保存跨函数调用的数据。

存储范围与生命周期

静态变量的存储范围通常限于其定义的文件或函数，而其生命周期则贯穿程序的整个执行过程。这意味着即使程序流程已经离开了定义静态变量的函数，这些变量依旧保留其状态，这对于状态机等逻辑实现非常有用。

全局变量：在程序的整个生命周期内都存在，存储在静态存储区。
静态变量：在函数内部定义的静态变量，它们在函数调用之间保持其值，也存储在静态存储区。

#include <stdio.h>int global_var = 10; // 全局变量void example() {static int static_var = 20; // 静态变量printf("Global var: %d, Static var: %d\n", global_var, static_var);static_var++;
}int main() {example(); // 输出: Global var: 10, Static var: 20example(); // 输出: Global var: 10, Static var: 21return 0;
}

2. 自动存储分配

自动存储分配是指在函数内部定义的局部变量，它们在函数调用时自动分配内存，在函数返回时自动释放。

局部作用域与临时变量

自动变量主要存储在栈上，其生命周期与其所在的代码块（如函数）相同，超出该代码块作用域后立即被销毁。这种机制非常适合处理临时数据，如循环中的计数器或临时计算结果，因为它们只在特定的上下文中有效。

栈溢出的风险

然而，自动存储分配也存在其局限性。栈的空间有限，如果频繁或大量地在栈上分配大对象，可能会导致栈溢出（Stack Overflow）。因此，在设计函数时，除了考虑逻辑正确性外，还需要评估内存使用情况，避免过度使用自动变量导致的问题。

#include <stdio.h>void auto_example() {int auto_var = 30; // 自动变量printf("Auto var: %d\n", auto_var);
}int main() {auto_example(); // 输出: Auto var: 30return 0;
}

3. 动态存储分配

动态存储分配是指在程序运行时根据需要动态分配和释放内存。

灵活性与控制

与静态和自动存储分配不同，动态存储分配是在程序运行时按需分配内存，这给予了程序极大的灵活性。无论是不确定大小的数据结构，还是运行时变化的数据集，动态内存分配都可以很好地处理。此外，通过手动管理内存，开发者能够更精准地控制资源的使用，以适应不同的应用场景。

C语言提供了几个用于动态内存管理的函数：

malloc()：分配指定大小的内存块，返回指向该内存块的指针。
calloc()：分配内存并初始化为零。
realloc()：重新分配内存块的大小。
free()：释放之前分配的内存块。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main() {int *dynamic_array;int n = 5;// 使用 malloc 动态分配内存dynamic_array = (int *)malloc(n * sizeof(int));if (dynamic_array == NULL) {printf("Memory allocation failed\n");return 1;}// 初始化动态数组for (int i = 0; i < n; i++) {dynamic_array[i] = i * 10;}// 打印动态数组for (int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", dynamic_array[i]);}printf("\n");// 使用 realloc 重新分配内存n = 10;dynamic_array = (int *)realloc(dynamic_array, n * sizeof(int));if (dynamic_array == NULL) {printf("Memory reallocation failed\n");return 1;}// 初始化扩展的部分for (int i = 5; i < n; i++) {dynamic_array[i] = i * 10;}// 打印扩展后的动态数组for (int i = 0; i < n; i++) {printf("%d ", dynamic_array[i]);}printf("\n");// 释放动态分配的内存free(dynamic_array);return 0;
}