C 内存管理规范

C 内存管理规范

适用 Agents

• dev - 实现内存分配和数据结构
• debug - 诊断内存泄漏和越界
• test - 验证内存安全
• perf - 内存布局优化和缓存友好设计

相关 Skills

场景	Skill	说明
核心规范	Skills(c:core)	C11/C17 标准、编码约定
并发编程	Skills(c:concurrency)	线程安全分配、原子操作
错误处理	Skills(c:error)	分配失败的错误处理

AI 理性化检查

AI 理性化	实际检查
"不检查 malloc 没事"	所有分配是否检查了返回值？
"free 后不用置 NULL"	是否有 use-after-free 风险？
"realloc 直接赋值原指针"	失败时原指针是否丢失？
"Valgrind 太慢不用跑"	是否有其他内存检查？
"栈上分配就安全"	VLA 是否可能栈溢出？
"aligned_alloc 不需要"	是否有 SIMD 或缓存行对齐需求？

安全分配模式

基本分配（必须检查返回值）

// malloc：未初始化内存
int* arr = malloc(n * sizeof(*arr));  // 使用 sizeof(*ptr) 而非 sizeof(type)
if (arr == NULL) {
    perror("malloc");
    goto cleanup;
}

// calloc：零初始化，自动处理溢出检查
int* arr = calloc(n, sizeof(*arr));
if (arr == NULL) {
    perror("calloc");
    goto cleanup;
}

// realloc：必须用临时指针
int* tmp = realloc(arr, new_count * sizeof(*arr));
if (tmp == NULL) {
    perror("realloc");
    // arr 仍然有效，需要 free
    goto cleanup;
}
arr = tmp;

释放后置 NULL

free(arr);
arr = NULL;  // 防止 use-after-free 和 double-free

RAII-like 宏（GCC/Clang attribute((cleanup))）

#define AUTO_FREE __attribute__((cleanup(auto_free_ptr)))

static inline void auto_free_ptr(void* p) {
    free(*(void**)p);
}

void example(void) {
    AUTO_FREE char* buf = malloc(256);
    if (buf == NULL) return;
    // buf 在作用域结束时自动 free
}

内存对齐

// C11 aligned_alloc（大小必须是对齐的整数倍）
void* buf = aligned_alloc(64, 1024);  // 64 字节对齐

// POSIX posix_memalign
void* buf = NULL;
if (posix_memalign(&buf, 64, 1024) != 0) {
    perror("posix_memalign");
}

// 结构体对齐
_Alignas(64) struct CacheLine {
    int data[16];
};

// 检查对齐
static_assert(_Alignof(struct CacheLine) == 64, "cache line alignment");

内存池（避免频繁 malloc/free）

typedef struct MemPool {
    uint8_t* base;       // 池内存基地址
    size_t capacity;     // 总容量
    size_t used;         // 已使用
} MemPool;

MemPool* mempool_create(size_t capacity) {
    MemPool* pool = malloc(sizeof(MemPool));
    if (pool == NULL) return NULL;
    pool->base = malloc(capacity);
    if (pool->base == NULL) { free(pool); return NULL; }
    pool->capacity = capacity;
    pool->used = 0;
    return pool;
}

void* mempool_alloc(MemPool* pool, size_t size) {
    // 对齐到 8 字节
    size = (size + 7) & ~(size_t)7;
    if (pool->used + size > pool->capacity) return NULL;
    void* ptr = pool->base + pool->used;
    pool->used += size;
    return ptr;
}

void mempool_destroy(MemPool* pool) {
    if (pool) { free(pool->base); free(pool); }
}

泄漏检测工具

# Valgrind 全面检查
valgrind --leak-check=full --show-leak-kinds=all \
         --track-origins=yes --error-exitcode=1 ./program

# AddressSanitizer（编译时）
gcc -std=c17 -fsanitize=address -fno-omit-frame-pointer -g program.c -o program

# MemorySanitizer（检测未初始化内存读取，仅 Clang）
clang -std=c17 -fsanitize=memory -fno-omit-frame-pointer -g program.c -o program

检查清单

• 所有 malloc/calloc/realloc 返回值已检查
• 所有分配的内存已释放（Valgrind 验证）
• 释放后指针置 NULL
• realloc 使用临时指针模式
• sizeof 使用 sizeof(*ptr) 而非 sizeof(Type)
• 需要对齐时使用 aligned_alloc/posix_memalign
• 频繁分配场景使用内存池
• ASan 或 Valgrind 零错误报告