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Pwn 基础之C/C++（六）：栈、堆、生命周期与动态内存

本篇目标：理解程序常见内存区域，正确使用 malloc、calloc、realloc 和 free。

预计阅读时间：20～25 分钟。

1. 程序的常见内存区域

概念上可以粗略理解为：

高地址
+------------------+
| Stack            |
+------------------+
| Memory Mapping   |
+------------------+
| Heap             |
+------------------+
| BSS              |
+------------------+
| Data             |
+------------------+
| Read-only Data   |
+------------------+
| Text             |
+------------------+
低地址

真实布局受操作系统、加载器、编译器、ABI 和随机化机制影响。

2. Text 与只读数据

Text 区域主要保存编译后的机器指令。

字符串字面量等数据通常位于只读数据区域：

const char *message = "hello";

指针变量和字符串字面量本身可能位于不同区域。

3. Data 与 BSS

有非零初始值的全局或静态变量通常与 Data 区域相关：

int global_value = 100;
static int static_value = 200;

未显式初始化或初始化为零的全局、静态变量通常与 BSS 区域相关：

int global_value;
static int static_value;

程序开始运行时，它们会被初始化为零。

4. 栈

普通局部变量和函数调用环境经常与栈有关：

void function(void)
{
    int number = 100;
    char text[32];
}

函数返回后，这些局部对象的生命周期结束。

但“局部变量一定在栈上”不是绝对规则。优化后，变量可能只存在于寄存器，也可能被完全消除。

5. 堆

堆用于运行时动态申请内存，适合：

  • 编译时不知道元素数量；
  • 数据需要跨越当前函数继续存在；
  • 需要动态创建和销毁对象。

C 常用：

malloc  calloc  realloc  free

6. 作用域与生命周期

作用域回答：

在源代码什么位置可以使用这个名称？

生命周期回答：

对象从什么时候开始存在，到什么时候结束？

int *create_number(void)
{
    int *pointer = malloc(sizeof(*pointer));
    if (pointer != NULL) {
        *pointer = 100;
    }
    return pointer;
}

函数返回后，局部变量 pointer 消失，但它指向的动态对象仍存在，直到调用者释放它。

7. malloc 

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    int *pointer = malloc(sizeof(*pointer));

    if (pointer == NULL) {
        fprintf(stderr, "allocation failed\n");
        return 1;
    }

    *pointer = 100;
    printf("%d\n", *pointer);

    free(pointer);
    pointer = NULL;
    return 0;
}

malloc 接收字节数，成功时返回动态区域起始地址，失败时返回 NULL。

sizeof(*pointer) 能跟随指针类型变化，减少重复维护类型名称。

8. 动态数组 

size_t count = 10;
int *numbers = malloc(count * sizeof(*numbers));

if (numbers == NULL) {
    return 1;
}

for (size_t i = 0; i < count; i++) {
    numbers[i] = (int)i;
}

free(numbers);
numbers = NULL;

实际代码还应考虑乘法是否超过 size_t 可表示范围，尤其是长度来自外部数据时。

9. calloc 

int *numbers = calloc(count, sizeof(*numbers));

它接收元素数量和元素大小，并将申请区域初始化为全零字节。

全零字节适合初始化整数零，但不能脱离具体类型简单理解为所有类型的通用默认值。

10. realloc 

int *temporary = realloc(numbers, new_count * sizeof(*numbers));

if (temporary != NULL) {
    numbers = temporary;
}

realloc 可能：

  • 在原位置调整；
  • 分配新区域并复制旧内容；
  • 返回不同地址；
  • 失败并返回 NULL。

使用临时指针，调整失败时仍能保留原地址。

11. free 

free(pointer);
pointer = NULL;

free 结束动态对象对应存储的可用生命周期，但不会自动修改指针变量。

free(NULL);

是允许的。

只应释放由匹配的动态分配函数返回、且尚未释放的地址。

12. 所有权与借用

动态内存管理的核心问题是：

谁负责释放？

可以建立约定：

创建者拥有对象
拥有者负责释放
转移所有权必须明确
借用者不得擅自释放

例如：

char *create_message(void);

如果返回动态字符串，接口应说明调用者负责 free。

const char *get_program_name(void);

如果返回程序内部已有字符串，调用者只借用，不应释放。

13. 动态数组扩容模型 

int grow_array(int **array, size_t *capacity)
{
    size_t new_capacity = (*capacity == 0) ? 4 : *capacity * 2;
    int *temporary = realloc(*array, new_capacity * sizeof(**array));

    if (temporary == NULL) {
        return 0;
    }

    *array = temporary;
    *capacity = new_capacity;
    return 1;
}

这里同时练习：

  • 动态内存；
  • 二级指针；
  • 容量管理；
  • 失败处理；
  • 所有权不变的扩容操作。

本篇练习

  1. 动态申请 n 个整数并计算平均值。
  2. 使用 calloc 创建全零数组。
  3. 编写可扩容整数列表。
  4. 画出指针变量与动态对象的生命周期。
  5. 实现学生信息动态数组，退出前释放全部资源。

本篇小结

  • 程序包含代码、静态数据、栈、堆等区域；
  • 作用域与生命周期是两个不同概念；
  • 动态对象不会因创建函数返回而自动释放；
  • 每次分配都要检查失败；
  • 每块动态资源都应有明确所有者；
  • malloc/free、calloc/free 和 realloc 必须按规则配合。

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Waline