Как освободить память для массива, выделенного malloc?

Вы вызываете malloc() только один раз, чтобы создать массив, и вызываете realloc() несколько раз, чтобы перераспределить массив. Существует только один массив, поэтому вам нужно вызвать free() только один раз, чтобы освободить этот массив. Не пытайтесь free() обрабатывать отдельные элементы, поскольку они не malloc обрабатывались индивидуально. По одному free() за каждый успешный malloc()/realloc().

Кроме того, вам не нужно проверять nullptr перед вызовом free(), поскольку он уже обрабатывает это внутри себя.

Кроме того, в случае сбоя realloc() исходный массив остается нетронутым, но вы безоговорочно перезаписываете переменную ptr, поэтому вы потеряете существующий массив. Вам необходимо проверить наличие сбоя realloc(), прежде чем переназначать переменную ptr.

Кстати, еще несколько мелких придирок к оставшемуся коду:

• Вместо memarr[index] следует использовать *(memarr + index).

• не звоните srand() несколько раз. Позвоните один раз в main().

• "> "s должно быть просто "> ", нет необходимости заставлять его std::string просто печатать, поскольку operator<< прекрасно справляется со строковыми литералами (как видно из некоторых других ваших отпечатков).

• не следует смешивать printf() с std::cout. Придерживайтесь того или другого.

Вместо этого попробуйте что-нибудь подобное:

void PrintMem(const int* memarr, const size_t size) {
    for (size_t index = 0; index < size; ++index) {
        std::cout << '<' << (index+1) << "> " << memarr[index] << '\n';
    }
}

void FillMem(int* memarr, const size_t size) {
    for (size_t index = 0; index < size; ++index) {
        memarr[index] = rand() % 100;
    }
}

int main() {
    srand(time(0));
    const int size_iter = 10000000;
    int n = 30;
    int* ptr = nullptr;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        int size = size_iter * i;
        if (i == 1) {
            ptr = static_cast<int*>(malloc(size * sizeof(int)));
            if (ptr == nullptr) {
                std::cerr << "memory allocation error\n";
                break;
            }
        }
        else {
            int *new_ptr = static_cast<int*>(realloc(ptr, size * sizeof(int)));
            if (new_ptr == nullptr) {
                std::cerr << "memory reallocation error\n";
                break;
            }
            ptr = new_ptr;
        }
        std::cout << '[' << i << ']';
        std::cout << " address: " << static_cast<void*>(ptr);
        std::cout << ", size: " << size;
        std::cout << " *********************\n";
        FillMem(ptr, size);
        //PrintMem(ptr, size);
    }
    free(ptr);
}

При этом вам вообще не следует использовать malloc/realloc() в C++. Вместо этого используйте std::vector, и пусть он обрабатывает память за вас, например:

#include <vector>

void PrintMem(const std::vector<int> &arr) {
    for (size_t index = 0; index < arr.size(); ++index) {
        std::cout << '<' << (index+1) << "> " << memarr[index] << '\n';
    }
}

void FillMem(std::vector<int> &arr) {
    for (size_t index = 0; index < arr.size(); ++index) {
        memarr[index] = rand() % 100;
    }
}

int main() {
    srand(time(0));
    const int size_iter = 10000000;
    int n = 30;
    std::vector<int> arr;
    for (int i = 1; i <= n; ++i) {
        int size = size_iter * i;
        arr.resize(size);
        std::cout << '[' << i << ']';
        std::cout << " address: " << static_cast<void*>(arr.data());
        std::cout << ", size: " << size;
        std::cout << " *********************\n";
        FillMem(arr);
        //PrintMem(arr);
    }
}

Вам также следует рассмотреть возможность использования генератора случайных чисел в стиле C++ из библиотеки <random> вместо использования генератора случайных чисел в стиле C rand().

Также рассмотрите возможность использования циклов range-for и стандартных алгоритмов , таких как std::for_each() , std::generate() и т. д.

Короче говоря, по возможности избегайте использования C-измов в C++. Возможно, C и C++ когда-то имели общее наследие, но они превратились в совершенно разные языки.