C语言中malloc()和free()函数解析

简介:

1、malloc()和free()的基本介绍

(1)函数原型及说明

void *malloc(long NumBytes)

该函数分配了NumBytes个字节,并返回了指向这块内存的指针。如果分配失败,则返回一个空指针(NULL)。

void free(void *FirstByte)

该函数是将之前用malloc分配的空间还给程序或者是操作系统,也就是释放了这块内存,让它重新得到自由。

(2)函数基本用法

复制代码
 1 char *Ptr = NULL;
 2 Ptr = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
 3 if (NULL == Ptr){
 4     exit (1);
 5 }
 6 gets(Ptr);
 7 // code...
 8 free(Ptr);
 9 Ptr = NULL;
10 // code...
复制代码

(3)注意事项

  <1> 使用malloc申请了内存空间之后,必须检查是否分配成功;

  <2>当不需要在使用申请的内存时,一定要使用free释放,然后把指向这块内存的指针指向NULL,防止后边的程序使用该指针时出错;

  <3>malloc与free函数是配对使用的:

    malloc之后无free会导致内存泄漏;

    无缘无故free相当于什么也没做;

    调用多次free会出现错误(空指针除外);

  <4>虽然malloc函数的类型是void *,任何类型的指针都可以转换成void *,但是还是最好在前边进行强制转换,否则一些编译器不会通过;

2、malloc()申请的空间从哪里来?

(1)malloc()到底从哪里得到了内存空间?

  答案是从堆里面获得空间。也就是说函数返回的指针是指向堆里面的一块内存。操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操作系统收到程序的申请时,就会遍历该链表,然后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后就将该结点从空闲结点链表中删除, 并将该结点的空间分配给程序。

(2)什么是堆?什么是栈?

  堆是大家共有的空间,分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间,局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程 初始化的时候分配,运行过程中也可以向系统要额外的堆,但是记得用完了要还给操作系统,要不然就是内存泄漏。

  栈是线程独有的,保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化,每个线程的栈互相独立。每个函数都有自己的栈,栈被用来在函数之 间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈,就是切换SS/ESP寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放

  也就是说,栈是由编译器自动分配释放,存放函数的参数值、局部变量的值等。操作方式类似于数据结构中的栈。堆一般由程序员分配释放,若不释放,程序结束时可能由OS回收。注意这里说是可能,并非一定。所以我想再强调一次,记得要释放

  注意这里说的“堆”与数据结构中的堆是两回事,分配方式倒是类似于链表。

(3)在“栈”中的函数里申请“堆”里的空间,函数返回时,会自动释放吗?

  不会。

  举个例子,如果你在函数上面定义了一个指针变量,然后在这个函数里申请了一块内存让指针指向它。实际上,这个指针的地址是在栈上,但是它所指向的内容却是在堆上面的!这一点要注意!所以,再想想,在一个函数里申请了空间后,比如说下面这个函数:

1 // code...
2 void Function(void)
3 {
4     char *p = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
5 } 

  就这个例子,千万不要认为函数返回,函数所在的栈被销毁指针也跟着销毁,申请的内存也就一样跟着销毁了!这绝对是错误的!因为申请的内存在堆上,而函数所在的栈被销毁跟堆完全没有啥关系。所以,还是那句话:记得释放!

(4)free到底释放了什么?

  free()释放的是指针指向的内存!注意!释放的是内存,不是指针!这点非常非常重 要!指针是一个变量,只有程序结束时才被销毁。释放了内存空间后,原来指向这块空间的指针还是存在!只不过现在指针指向的内容的垃圾,是未定义的,所以说 是垃圾。因此,前面我已经说过了,释放内存后把指针指向NULL,防止指针在后面不小心又被解引用了。非常重要啊这一点!

3、malloc()以及free()的机制

  看一下free()的函数原型,也许也会发现似乎很神奇,free()函数非常简单,只有一个参数,只要把指向申请空间的指针传递给free()中的参数就可以完成释放工作!这里要追踪到malloc()的申请问题了。申请的时候实际上占用的内存要比申请的大。因为超出的空间是用来记录对这块内存的管理信息。先看一下在《UNIX环境高级编程》中第七章的一段话:

1  大多数实现所分配的存储空间比所要求的要稍大一些,额外的空间用来记录管理信息——分配
2 块的长度,指向下一个分配块的指针等等。这就意味着如果写过一个已 分配区的尾端,则会改
3 写后一块的管理信息。这种类型的错误是灾难性的,但是因为这种错误不会很快就暴露出来,
4 所以也就很难发现。将指向分配块的指针向后移 动也可能会改写本块的管理信息。

  以上这段话已经给了我们一些信息了。malloc()申请的空间实际我觉得就是分了两个不同性质的空间。一个就是用来记录管理信息的空间,另外一个就是可用空间了。而用来记录管理信息的实际上是一个结构体。在C语言中,用结构体来记录同一个对象的不同信息是天经地义的事!下面看看这个结构体的原型:

1 struct mem_control_block {
2     int is_available;    //这是一个标记
3     int size;            //这是实际空间的大小
4 }; 

  所以,free()就是根据这个结构体的信息来释放malloc()申请的空间!而结构体的两个成员的大小我想应该是操作系统的事了。但是这里有一个问 题,malloc()申请空间后返回一个指针应该是指向第二种空间,也就是可用空间!不然,如果指向管理信息空间的话,写入的内容和结构体的类型有可能不 一致,或者会把管理信息屏蔽掉,那就没法释放内存空间了,所以会发生错误!

  下面看看free()的源代码

复制代码
1 // code...
2 void free(void *ptr)
3 {
4     struct mem_control_block *free;
5     free = ptr - sizeof(struct mem_control_block);
6     free->is_available = 1;
7     return;
8 } 
复制代码

  看一下函数第二句,这句就是把指向可用空间的指针倒回去,让它指向管理信息的那块空间,因为这里是在值上减去了一个结构体的大小!后面那一句free->is_available = 1;这里is_available应该只是一个标记而已!因为从这个变量的名称上来看,is_available 翻译过来就是“是可以用”。这个变量的值 是1,表明是可以用的空间!

  当然,这里可能还是有人会有疑问,为什么这样就可以释放呢?释放是操作系统的事,那么就free()这个源代码来看, 什么也没有释放,对吧?但是它确实是确定了管理信息的那块内存的内容。所以,free()只是记录了一些信息,然后告诉操作系统那块内存可以去释放。


本文转自ZH奶酪博客园博客,原文链接:http://www.cnblogs.com/CheeseZH/p/4555065.html,如需转载请自行联系原作者

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