淺談C中的malloc和free

在C語(yǔ)言的學(xué)習(xí)中，對(duì)內(nèi)存管理這部分的知識(shí)掌握尤其重要！之前對(duì)C中的malloc()和free()兩個(gè)函數(shù)的了解甚少，只知道大概該怎么用—— 就是malloc然后free就一切OK了。當(dāng)然現(xiàn)在對(duì)這兩個(gè)函數(shù)的體會(huì)也不見得多，不過對(duì)于本文章第三部分的內(nèi)容倒是有了轉(zhuǎn)折性的認(rèn)識(shí)，所以

寫下這篇文章作為一個(gè)對(duì)知識(shí)的總結(jié)。這篇文章之所以命名中有個(gè)“淺談”的字眼，也就是這個(gè)意思了！希望對(duì)大家有一點(diǎn)幫助！

     如果不扯得太遠(yuǎn)的話（比如說(shuō)操作系統(tǒng)中虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存如何運(yùn)做如何管理之類的知識(shí)等），我感覺這篇文章應(yīng)該是比較全面地談了一下malloc()和free().這篇文章由淺入深（不見得有多深）分三個(gè)部分介紹主要內(nèi)容。

廢話了那么多，下面立刻進(jìn)入主題================》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》》

一、malloc()和free()的基本概念以及基本用法：

1、函數(shù)原型及說(shuō)明：

void *malloc(long NumBytes)：該函數(shù)分配了NumBytes個(gè)字節(jié)，并返回了指向這塊內(nèi)存的指針。如果分配失敗，則返回一個(gè)空指針（NULL）。

關(guān)于分配失敗的原因，應(yīng)該有多種，比如說(shuō)空間不足就是一種。

void free(void *FirstByte)： 該函數(shù)是將之前用malloc分配的空間還給程序或者是操作系統(tǒng)，也就是釋放了這塊內(nèi)存，讓它重新得到自由。

2、函數(shù)的用法：

     其實(shí)這兩個(gè)函數(shù)用起來(lái)倒不是很難，也就是malloc()之后覺得用夠了就甩了它把它給free()了，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：

    就是這樣！當(dāng)然，具體情況要具體分析以及具體解決。比如說(shuō)，你定義了一個(gè)指針，在一個(gè)函數(shù)里申請(qǐng)了一塊內(nèi)存然后通過函數(shù)返回傳遞給這個(gè)指針，那么也許釋放這塊內(nèi)存這項(xiàng)工作就應(yīng)該留給其他函數(shù)了。

3、關(guān)于函數(shù)使用需要注意的一些地方：

A、申請(qǐng)了內(nèi)存空間后，必須檢查是否分配成功。

B、當(dāng)不需要再使用申請(qǐng)的內(nèi)存時(shí)，記得釋放；釋放后應(yīng)該把指向這塊內(nèi)存的指針指向NULL，防止程序后面不小心使用了它。

C、這兩個(gè)函數(shù)應(yīng)該是配對(duì)。如果申請(qǐng)后不釋放就是內(nèi)存泄露；如果無(wú)故釋放那就是什么也沒有做。釋放只能一次，如果釋放兩次及兩次以上會(huì)

出現(xiàn)錯(cuò)誤（釋放空指針例外，釋放空指針其實(shí)也等于啥也沒做，所以釋放空指針釋放多少次都沒有問題）。

D、雖然malloc()函數(shù)的類型是(void *),任何類型的指針都可以轉(zhuǎn)換成(void *),但是最好還是在前面進(jìn)行強(qiáng)制類型轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@樣可以躲過一

些編譯器的檢查。

好了！最基礎(chǔ)的東西大概這么說(shuō)！現(xiàn)在進(jìn)入第二部分：

二、malloc()到底從哪里得來(lái)了內(nèi)存空間：

1、malloc()到底從哪里得到了內(nèi)存空間？答案是從堆里面獲得空間。也就是說(shuō)函數(shù)返回的指針是指向堆里面的一塊內(nèi)存。操作系統(tǒng)中有一個(gè)記錄空 閑內(nèi)存地址的鏈表。當(dāng)操作系統(tǒng)收到程序的申請(qǐng)時(shí)，就會(huì)遍歷該鏈表，然后就尋找第一個(gè)空間大于所申請(qǐng)空間的堆結(jié)點(diǎn)，然后就將該結(jié)點(diǎn)從空閑結(jié)點(diǎn)鏈表中刪除，并 將該結(jié)點(diǎn)的空間分配給程序。就是這樣！

   說(shuō)到這里，不得不另外插入一個(gè)小話題，相信大家也知道是什么話題了。什么是堆？說(shuō)到堆，又忍不住說(shuō)到了棧！什么是棧？下面就另外開個(gè)小部分專門而又簡(jiǎn)單地說(shuō)一下這個(gè)題外話：

2、什么是堆：堆是大家共有的空間，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有沒有分配的空間，局部堆就是用戶分配的空間。堆在操作系統(tǒng)對(duì)進(jìn)程 初始化的時(shí)候分配，運(yùn)行過程中也可以向系統(tǒng)要額外的堆，但是記得用完了要還給操作系統(tǒng)，要不然就是內(nèi)存泄漏。

   什么是棧：棧是線程獨(dú)有的，保存其運(yùn)行狀態(tài)和局部自動(dòng)變量的。棧在線程開始的時(shí)候初始化，每個(gè)線程的棧互相獨(dú)立。每個(gè)函數(shù)都有自己的棧，棧被用來(lái)在函數(shù)之 間傳遞參數(shù)。操作系統(tǒng)在切換線程的時(shí)候會(huì)自動(dòng)的切換棧，就是切換SS/ESP寄存器。棧空間不需要在高級(jí)語(yǔ)言里面顯式的分配和釋放。

   以上的概念描述是標(biāo)準(zhǔn)的描述，不過有個(gè)別語(yǔ)句被我刪除，不知道因?yàn)檫@樣而變得不標(biāo)準(zhǔn)了^_^.

   通過上面對(duì)概念的描述，可以知道：

   棧是由編譯器自動(dòng)分配釋放，存放函數(shù)的參數(shù)值、局部變量的值等。操作方式類似于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的棧。

   堆一般由程序員分配釋放，若不釋放，程序結(jié)束時(shí)可能由OS回收。注意這里說(shuō)是可能，并非一定。所以我想再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，記得要釋放！

注意它與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的堆是兩回事，分配方式倒是類似于鏈表。
所以，舉個(gè)例子，如果你在函數(shù)上面定義了一個(gè)指針變量，然后在這個(gè)函數(shù)里申請(qǐng)了一塊內(nèi)存讓指針指向它。實(shí)際上，這個(gè)指針的地址是在棧上，但是它所指向的內(nèi)容卻是在堆上面的！這一點(diǎn)要注意！所以，再想想，在一個(gè)函數(shù)里申請(qǐng)了空間后，比如說(shuō)下面這個(gè)函數(shù)：

  
   就這個(gè)例子，千萬(wàn)不要認(rèn)為函數(shù)返回，函數(shù)所在的棧被銷毀指針也跟著銷毀，申請(qǐng)的內(nèi)存也就一樣跟著銷毀了！這絕對(duì)是錯(cuò)誤的！因?yàn)樯暾?qǐng)的內(nèi)存在堆上，而函數(shù)所在的棧被銷毀跟堆完全沒有啥關(guān)系。所以，還是那句話：記得釋放！

3、free()到底釋放了什么

   這個(gè)問題比較簡(jiǎn)單，其實(shí)我是想和第二大部分的題目相呼應(yīng)而已！哈哈！free()釋放的是指針指向的內(nèi)存！注意！釋放的是內(nèi)存，不是指針！這點(diǎn)非常非常重 要！指針是一個(gè)變量，只有程序結(jié)束時(shí)才被銷毀。釋放了內(nèi)存空間后，原來(lái)指向這塊空間的指針還是存在！只不過現(xiàn)在指針指向的內(nèi)容的垃圾，是未定義的，所以說(shuō) 是垃圾。因此，前面我已經(jīng)說(shuō)過了，釋放內(nèi)存后把指針指向NULL，防止指針在后面不小心又被解引用了。非常重要啊這一點(diǎn)！

   好了！這個(gè)“題外話”終于說(shuō)完了。就這么簡(jiǎn)單說(shuō)一次，知道個(gè)大概就可以了！下面就進(jìn)入第三個(gè)部分：

三、malloc()以及free()的機(jī)制：

   這個(gè)部分我今天才有了新的認(rèn)識(shí)！而且是轉(zhuǎn)折性的認(rèn)識(shí)！所以，這部分可能會(huì)有更多一些認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)誤！不對(duì)的地方請(qǐng)大家?guī)兔χ赋觯?/p>

   事實(shí)上，仔細(xì)看一下free()的函數(shù)原型，也許也會(huì)發(fā)現(xiàn)似乎很神奇，free()函數(shù)非常簡(jiǎn)單，只有一個(gè)參數(shù)，只要把指向申請(qǐng)空間的指針傳遞

給free()中的參數(shù)就可以完成釋放工作！這里要追蹤到malloc()的申請(qǐng)問題了。申請(qǐng)的時(shí)候?qū)嶋H上占用的內(nèi)存要比申請(qǐng)的大。因?yàn)槌龅目臻g是用來(lái)記錄對(duì)這塊內(nèi)存的管理信息。先看一下在《UNIX環(huán)境高級(jí)編程》中第七章的一段話：

   大多數(shù)實(shí)現(xiàn)所分配的存儲(chǔ)空間比所要求的要稍大一些，額外的空間用來(lái)記錄管理信息——分配塊的長(zhǎng)度，指向下一個(gè)分配塊的指針等等。這就意味著如果寫過一個(gè)已 分配區(qū)的尾端，則會(huì)改寫后一塊的管理信息。這種類型的錯(cuò)誤是災(zāi)難性的，但是因?yàn)檫@種錯(cuò)誤不會(huì)很快就暴露出來(lái)，所以也就很難發(fā)現(xiàn)。將指向分配塊的指針向后移 動(dòng)也可能會(huì)改寫本塊的管理信息。

   以上這段話已經(jīng)給了我們一些信息了。malloc()申請(qǐng)的空間實(shí)際我覺得就是分了兩個(gè)不同性質(zhì)的空間。一個(gè)就是用來(lái)記錄管理信息的空間，另外一個(gè)就是可用空間了。而用來(lái)記錄管理信息的實(shí)際上是一個(gè)結(jié)構(gòu)體。在C語(yǔ)言中，用結(jié)構(gòu)體來(lái)記錄同一個(gè)對(duì)象的不同信息是

天經(jīng)地義的事！下面看看這個(gè)結(jié)構(gòu)體的原型：

  
   對(duì)于size,這個(gè)是實(shí)際空間大小。這里其實(shí)我有個(gè)疑問，is_available是否是一個(gè)標(biāo)記？因?yàn)槲铱戳薴ree()的源代碼之后對(duì)這個(gè)變量感覺有點(diǎn)納悶（源代碼在下面分析）。這里還請(qǐng)大家指出！

   所以，free()就是根據(jù)這個(gè)結(jié)構(gòu)體的信息來(lái)釋放malloc()申請(qǐng)的空間！而結(jié)構(gòu)體的兩個(gè)成員的大小我想應(yīng)該是操作系統(tǒng)的事了。但是這里有一個(gè)問 題，malloc()申請(qǐng)空間后返回一個(gè)指針應(yīng)該是指向第二種空間，也就是可用空間！不然，如果指向管理信息空間的話，寫入的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)體的類型有可能不 一致，或者會(huì)把管理信息屏蔽掉，那就沒法釋放內(nèi)存空間了，所以會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤！（感覺自己這里說(shuō)的是廢話）

   好了！下面看看free()的源代碼，我自己分析了一下，覺得比起malloc()的源代碼倒是容易簡(jiǎn)單很多。只是有個(gè)疑問，下面指出！

   看一下函數(shù)第二句，這句非常重要和關(guān)鍵。其實(shí)這句就是把指向可用空間的指針倒回去，讓它指向管理信息的那塊空間，因?yàn)檫@里是在值上減去了一個(gè)結(jié)構(gòu)體的大 小！后面那一句free->is_available = 1;我有點(diǎn)納悶！我的想法是：這里is_available應(yīng)該只是一個(gè)標(biāo)記而已！因?yàn)閺倪@個(gè)變量的名稱上來(lái)看，is_available 翻譯過來(lái)就是“是可以用”。不要說(shuō)我土！我覺得變量名字可以反映一個(gè)變量的作用，特別是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇a。這是源代碼，所以我覺得絕對(duì)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模。∵@個(gè)變量的值 是1，表明是可以用的空間！只是這里我想了想，如果把它改為0或者是其他值不知道會(huì)發(fā)生什么事？！但是有一點(diǎn)我可以肯定，就是釋放絕對(duì)不會(huì)那么順利進(jìn)行！ 因?yàn)檫@是一個(gè)標(biāo)記！

   當(dāng)然，這里可能還是有人會(huì)有疑問，為什么這樣就可以釋放呢？？我剛才也有這個(gè)疑問。后來(lái)我想到，釋放是操作系統(tǒng)的事，那么就free()這個(gè)源代碼來(lái)看， 什么也沒有釋放，對(duì)吧？但是它確實(shí)是確定了管理信息的那塊內(nèi)存的內(nèi)容。所以，free()只是記錄了一些信息，然后告訴操作系統(tǒng)那塊內(nèi)存可以去釋放，具體 怎么告訴操作系統(tǒng)的我不清楚，但我覺得這個(gè)已經(jīng)超出了我這篇文章的討論范圍了。

   那么，我之前有個(gè)錯(cuò)誤的認(rèn)識(shí)，就是認(rèn)為指向那塊內(nèi)存的指針不管移到那塊內(nèi)存中的哪個(gè)位置都可以釋放那塊內(nèi)存！但是，這是大錯(cuò)特錯(cuò)！釋放是不可以釋放一部分 的！首先這點(diǎn)應(yīng)該要明白。而且，從free()的源代碼看，ptr只能指向可用空間的首地址，不然，減去結(jié)構(gòu)體大小之后一定不是指向管理信息空間的首地 址。所以，要確保指針指向可用空間的首地址！不信嗎？自己可以寫一個(gè)程序然后移動(dòng)指向可用空間的指針，看程序會(huì)有會(huì)崩！

   最后可能想到malloc()的源代碼看看malloc()到底是怎么分配空間的，這里面涉及到很多其他方面的知識(shí)！有興趣的朋友可以自己去下載源
代碼去看看。

四、關(guān)于其他：

    關(guān)于C中的malloc()和free()的討論就寫到這里吧！寫了三個(gè)鐘頭，感覺有點(diǎn)累！希望對(duì)大家有所幫助！有不對(duì)的地方歡迎大家指出

posted on 2008-03-22 21:49 isabc 閱讀(471) 評(píng)論(1)  編輯 收藏 引用 所屬分類: C++基礎(chǔ)