内存管理

本章探讨 C 语言中内存的工作方式以及 Auto 如何抽象这些细节。你将学习内存布局、 指针、数组、字符串、动态内存、函数指针，以及 Auto 如何防止常见的内存错误。

21. 内存布局

每个 C 程序将内存分为四个段：

+------------------+
| 代码段 (text)    |  编译后的机器指令
+------------------+
| 数据段 / BSS     |  全局和静态变量
+------------------+
| 堆 (heap)        |  malloc/free 区域（向上增长）
+------------------+
| 栈 (stack)       |  局部变量、调用帧（向下增长）
+------------------+

• 代码段存放编译后的机器指令。
• 数据段存放已初始化的全局变量；BSS 存放零初始化的全局变量。
• 堆用于动态分配的内存（malloc/free）。
• 栈用于局部变量和函数调用帧。

Auto 自然地映射到这个模型。函数内的 let 和 var 声明放在栈上。Auto 的 AutoFree 系统自动管理堆分配，你不需要手动调用 malloc 或 free。

22. 指针与地址

在 C 中，每个变量都有一个内存地址。用 & 获取地址，用 * 解引用：

int x = 42;
int *p = &x;    // p 保存 x 的地址
printf("%d\n", *p);  // 输出 42

Auto 不暴露原始指针。相反，它使用可选引用（?T）来表示可能引用另一个值 的变量。a2c 转译器在幕后生成指针代码。

23. 数组与指针算术

在 C 中，数组和指针密切相关。a[i] 等价于 *(a + i)。Auto 数组映射到 C 数组，并尽可能进行边界检查。

Auto 的 a[i] 直接映射到 C 的 a[i]。切片（a[1..3]）是 Auto 的编译时 特性；转译器生成循环或拷贝代码。

仅 C：C 允许指针算术如 p + 1 来遍历内存。Auto 不暴露此特性。 请使用数组索引代替。

24. 字符串即字符数组

C 字符串是以空字符（'\0'）结尾的 char 数组。字符串 "Hello" 占用 6 个 字节：H、e、l、l、o、\0。

Auto 的 str 类型映射到 C 的 char*。Auto 自动处理空字符终止。Auto 中的 字符串拼接（+）在 C 中生成相应的 malloc、strcpy 和 strcat 调用。

内置函数 len() 映射到 C 的 strlen()。Auto 保证字符串始终以空字符结尾。

25. 动态内存

C 使用 malloc 分配堆内存，使用 free 释放：

int *arr = malloc(10 * sizeof(int));
// ... 使用 arr ...
free(arr);

Auto 的 AutoFree 系统跟踪分配并在作用域结束时自动释放。你永远不需要在 Auto 代码中写 malloc 或 free。

26. 内存泄漏与未定义行为

最常见的 C 内存错误包括：

• 内存泄漏：忘记 free 已分配的内存。
• 释放后使用：访问已释放的内存。
• 缓冲区溢出：写入超出数组末尾的数据。
• 悬空指针：使用指向已超出作用域的内存的指针。

Auto 从设计上防止这些问题：

• AutoFree 确保每个分配在作用域结束时被释放。
• 没有原始指针，意味着没有释放后使用或悬空指针的 bug。
• 数组边界在可能的情况下进行编译时检查。

27. const 与 volatile

C 的 const 限定符告诉编译器值不会改变：

const int x = 42;
x = 10;  // 编译错误

Auto 的 let 等价于 const——一旦绑定，值就不能重新赋值。Auto 的 var 类似于普通的 C 变量。

C 的 volatile 限定符告诉编译器不要优化掉读写操作（例如用于硬件寄存器）。 Auto 不提供 volatile；这是 C 独有的底层系统编程特性。

28. 函数指针与回调

C 使用函数指针实现回调和策略模式：

int (*op)(int, int);
op = &add;
result = op(3, 4);

Auto 用 spec 系统替代函数指针，提供类型安全的多态行为接口。

29. 深拷贝与浅拷贝

在 C 中，赋值结构体是按值拷贝（字段的深拷贝）。赋值指针只拷贝地址（浅拷贝）：

struct Point a = {1, 2};
struct Point b = a;     // 深拷贝：b 有自己的 x、y
struct Point *p = &a;   // 浅拷贝：p 指向 a

Auto 默认使用值语义。赋值 let b Point = a 创建一个独立的副本，就像 C 的 结构体赋值一样。Auto 的 ?T 可选引用在需要共享访问时提供指针的等价功能。

30. 练习：内存管理

将所学的内存、递归和 Auto 的保障机制应用起来。

递归的 fibonacci 函数为每次调用使用栈帧。Auto 确保即使递归很深也不会出现 内存泄漏——栈帧在函数返回时自动回收。

快速参考

概念	Auto	C
栈变量	let x int = 5	int x = 5;
堆分配	自动（AutoFree）	malloc(size)
堆释放	自动	free(ptr)
指针	不暴露	int *p = &x
可选引用	?T	T*（可为空）
数组	[N]T{...}	T arr[N] = {...}
字符串	str	char*
字符串拼接	a + b	strcat/malloc
字符串长度	len(s)	strlen(s)
不可变	let x	const int x
可变	var x	int x
函数指针	spec + type	int (*fn)(int, int)
值拷贝	默认行为	结构体赋值
空值检查	x != nil	p != NULL