栈和堆

第 19 课，共 30 课 · 第 4 部分 · 内存 · 约 15 分钟

程序跑起来以后，变量放在内存里。C 程序的内存里有两块地方你要分清：栈和堆。到现在为止，我们写的变量都在栈上。点单步，代码下面的内存画面分成「栈」和「堆」两块：

main.c

1#include <stdio.h>2 3int add(int a, int b) {4    int sum = a + b;5    return sum;6}7 8int main(void) {9    int price = 30;10    int total = add(price, 12);11    printf("合计：%d\n", total);12    return 0;13}

输出

合计：42

一开始栈上只有 main 的框，里面是 price 和 total。调用 add 时，上面多了一个框，放着 a、b、sum；add 一返回，这个框就没了。堆那一块一直是空的。

	栈	堆
放什么	函数的参数和局部变量	用 `malloc` 要来的内存
谁来管	自动：调用时有，返回时没	你自己：自己要，自己还
活多久	到函数结束	到你 `free` 它

栈：函数结束就没了

每调用一次函数，栈上就多一个框（第 8 课叫它栈帧），函数返回，框就拿掉。所以局部变量只活到函数结束。第 18 课见过一个指向局部变量的指针，函数一返回就悬空了。数组也一样：想让函数做好一个数组交出来，直接返回局部数组，是行不通的：

main.c

1#include <stdio.h>2 3int *make_scores(void) {4    int scores[3] = {78, 85, 90};5    return scores;6}7 8int main(void) {9    int *p = make_scores();10    printf("%d\n", p[0]);11    return 0;12}

输出

main.c: In function 'make_scores':
main.c:5:12: warning: function returns address of local variable [-Wreturn-local-addr]
    5 |     return scores;
      |            ^~~~~~
load of null pointer

发生了什么： 停在第 10 行：这个指针是 NULL（空指针），不能通过它读写。

gcc 先给了一个警告：函数返回了局部变量的地址。它还是编译了，而且因为这个地址拿出去也没法用，gcc 干脆让 make_scores 返回 NULL。所以第 10 行通过 p 去读时，我们的引擎停下了：p 是 NULL。点「看看是怎么出错的」，一步一步看：make_scores 的框一拿掉，框里的数组也跟着没了。

堆：自己要，自己还

想要一块不会跟着函数消失的内存，就到堆上去要。malloc 在 <stdlib.h> 里，你告诉它要多少字节，它在堆上找出这么大的一块，把地址交给你；用完了，用 free 把它还回去：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int *p = malloc(sizeof(int));6    *p = 42;7    printf("堆上的数：%d\n", *p);8    free(p);9    return 0;10}

输出

堆上的数：42

点单步，走过第 5 行：堆里出现了一个块，标着「4 字节 · 第 5 行」，也就是它有多大、是哪一行要来的。p 自己在栈上，是 main 框里的一个指针，一根箭头从它指向堆上的块。走过第 8 行的 free，块变成灰色，标着「已释放」：这块内存还回去了，不能再用。malloc 的细节（要多少字节、要不到怎么办）下一课再讲。

先猜一猜

变量 price 本身放在哪里？

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    double *price = malloc(sizeof(double));6    *price = 9.5;7    printf("%.1f\n", *price);8    free(price);9    return 0;10}

price 是 main 的局部变量，和别的局部变量一样在栈上。它里面存的是一个地址，那个地址上的 double（9.5）才在堆上。单步时看：price 在 main 的框里，箭头指到堆里的块。

输出

活得比函数久

堆上的块不归哪个函数管，函数返回了，它还在。所以要让函数做出一组数交给调用它的地方，就在堆上做：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int *make_scores(void) {5    int *scores = malloc(3 * sizeof(int));6    scores[0] = 78;7    scores[1] = 85;8    scores[2] = 90;9    return scores;10}11 12int main(void) {13    int *p = make_scores();14    printf("%d %d %d\n", p[0], p[1], p[2]);15    free(p);16    return 0;17}

输出

78 85 90

和上一节的程序几乎一样，只是数组换成了堆上的块。点单步看：make_scores 返回时，它的框没了，框里的 scores 指针也没了，可堆上那个「12 字节」的块还在，main 里的 p 接着指着它。块是 make_scores 要来的，最后由 main 还回去：谁还都行，只要还一次。

大小要等跑起来才知道

这门课里的数组，大小都是写代码时就定下的常量，比如 int a[7]。可很多时候，要放多少个数得等程序跑起来才知道：比如从一组成绩里挑出及格的，挑完才知道有几个。这时就按算出来的个数到堆上去要：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int scores[6] = {58, 72, 91, 45, 60, 83};6    int count = 0;7    for (int i = 0; i < 6; i++) {8        if (scores[i] >= 60) {9            count++;10        }11    }12    int *passed = malloc(count * sizeof(int));13    int k = 0;14    for (int i = 0; i < 6; i++) {15        if (scores[i] >= 60) {16            passed[k] = scores[i];17            k++;18        }19    }20    printf("及格 %d 人：", count);21    for (int i = 0; i < count; i++) {22        printf("%d ", passed[i]);23    }24    printf("\n");25    free(passed);26    return 0;27}

输出

及格 4 人：72 91 60 83

count 是 4，所以堆上的块是 4 × 4 = 16 字节，不多不少。

小技巧： C 也允许 int a[n] 这种大小是变量的数组（叫变长数组），但它放在栈上，n 太大就会出事，C11 起编译器也可以不支持它。这个页面不支持它。要的个数是变量时，用 malloc。

栈不大，堆大

栈的空间不大，在常见的电脑上一般只有几 MB，一个函数里要是声明一个几百万个元素的数组，就可能把栈撑爆，程序直接崩溃。堆可以大得多，能用到电脑的大部分内存。所以很大的数组也放到堆上：

main.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5    int count = 1000000;6    int *steps = malloc(count * sizeof(int));7    for (int i = 0; i < count; i++) {8        steps[i] = 5000;9    }10    printf("一共 %d 天，第一天 %d 步\n", count, steps[0]);11    free(steps);12    return 0;13}

输出

一共 1000000 天，第一天 5000 步

一百万个 int 是 4000000 字节，差不多 4 MB，放在栈上很危险，放在堆上没问题。（这段程序循环一百万圈，别点单步一圈一圈地看，点运行就好。）

什么时候用堆，记住三种情况：

要的个数等程序跑起来才知道；
这块内存要比要它的函数活得久；
东西很大，栈上放不下。

除此以外，用普通的局部变量就好：不用自己还，也就不会忘了还。

练一练

写好代码，点检查。提示随便看，实在想不出来再看答案。

练习 1

堆上的价格

用 malloc 在堆上要一个 double，把 19.5 放进去，显示 价格：19.50，最后 free 它。

要显示

价格：19.50

exercise1.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int main(void) {5 6    return 0;7}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 2

平方表

写好函数 make_squares：在堆上要 n 个 int，第 i 个放 (i + 1) * (i + 1)，返回这块内存的地址。程序要显示 1 4 9 16 25 ，然后换行。

要显示

1 4 9 16 25

exercise2.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int *make_squares(int n) {5 6}7 8int main(void) {9    int *squares = make_squares(5);10    for (int i = 0; i < 5; i++) {11        printf("%d ", squares[i]);12    }13    printf("\n");14    free(squares);15    return 0;16}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

练习 3

修好它

make_prices 返回了一个局部数组的地址，程序一用就出事。改成在堆上要内存，让程序显示 12 8 25，并在 main 里用完后 free。

要显示

12 8 25

exercise3.c

1#include <stdio.h>2#include <stdlib.h>3 4int *make_prices(void) {5    int prices[3] = {12, 8, 25};6    return prices;7}8 9int main(void) {10    int *p = make_prices();11    printf("%d %d %d\n", p[0], p[1], p[2]);12    return 0;13}

输出

点「运行」或按 Ctrl+Enter

这一课学会了

函数的参数和局部变量在栈上：调用时多一个框，返回时框就没了，里面的变量也没了。
不要返回局部变量的地址：函数一返回，那里就不是你的了。
堆上的内存用 malloc 要、用 free 还；函数返回了，它还在。
指针本身可以在栈上，它指着的块在堆上。
三种情况用堆：个数要跑起来才知道、要活得比函数久、东西太大栈上放不下。