c語(yǔ)言中free的用法如何工作
free（）與malloc()函數(shù)配對(duì)使用，釋放malloc函數(shù)申請(qǐng)的動(dòng)態(tài)內(nèi)存。下面學(xué)習(xí)啦小編就跟你們?cè)敿?xì)介紹下c語(yǔ)言中free的用法，希望對(duì)你們有用。
c語(yǔ)言中free的用法：malloc()和free()
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(jué)得用夠了就甩了它把它給free()了，舉個(gè)簡(jiǎn)單例子：
程序代碼：
// Code...
char *Ptr = NULL;
Ptr = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
if (NULL == Ptr)
{
exit (1);
}
gets(Ptr);
// code...
free(Ptr);
Ptr = NULL;
// code...
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(guò)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(méi)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(méi)做，所以釋放空指針釋放多少次都沒(méi)有問(wèn)題）。
D、雖然malloc()函數(shù)的類(lèi)型是(void *),任何類(lèi)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(lèi)型轉(zhuǎn)換，因?yàn)檫@樣可以躲過(guò)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：
c語(yǔ)言中free的用法：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(kāi)個(gè)小部分專門(mén)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(méi)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(guò)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(kāi)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。?？臻g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(guò)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(guò)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(lèi)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(lèi)似于鏈表。（這點(diǎn)我上面稍微提過(guò)）值得關(guān)注，windows會(huì)用到系統(tǒng)的堆嗎。
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)：
程序代碼：
// code...
void Function(void)
{
char *p = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
}
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(xiāo)毀指針也跟著銷(xiāo)毀，申請(qǐng)的內(nèi)存也就一樣跟著銷(xiāo)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(xiāo)毀跟堆完全沒(méi)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(wèn)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(xiāo)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(guò)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(guò)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：
c語(yǔ)言中free的用法：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(wèn)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(xiě)過(guò)一個(gè)已分配區(qū)的尾端，則會(huì)改寫(xiě)后一塊的管理信息。這種類(lèi)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(xiě)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(jué)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：
程序代碼：
struct mem_control_block {
int is_available; //這是一個(gè)標(biāo)記？
int size; //這是實(shí)際空間的大小
};
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(wèn)，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(jué)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(wèn)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(xiě)入的內(nèi)容和結(jié)構(gòu)體的類(lèi)型有可能不一致，或者會(huì)把管理信息屏蔽掉，那就沒(méi)法釋放內(nèi)存空間了，所以會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤?。ǜ杏X(jué)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(jué)得比起malloc()的源代碼倒是容易簡(jiǎn)單很多。只是有個(gè)疑問(wèn)，下面指出！
程序代碼：
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(guò)來(lái)就是“是可以用”。不要說(shuō)我土！我覺(jué)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(jué)得絕對(duì)是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?！這個(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(wèn)，為什么這樣就可以釋放呢？？我剛才也有這個(gè)疑問(wèn)。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(méi)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(jué)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(xiě)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。
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C語(yǔ)言的malloc分配的的內(nèi)存大小
沒(méi)讀過(guò)malloc()的源碼，所以這里純粹是"理論研究"。
malloc()在運(yùn)行期動(dòng)態(tài)分配分配內(nèi)存,free()釋放由其分配的內(nèi)存。malloc()在分配用戶傳入的大小的時(shí)候，還分配的一個(gè)相關(guān)的用于管理的額外內(nèi)存，不過(guò)，用戶是看不到的。所以，
實(shí)際的大小 = 管理空間 + 用戶空間
那么，這個(gè)管理內(nèi)存放在什么位置呢,它要讓free()函數(shù)能夠找到，這樣才能知道有多少內(nèi)存要釋放，所以一種可能的方案是在分配內(nèi)存的初始部分用若干個(gè)字節(jié)來(lái)存儲(chǔ)分配的內(nèi)存的大小。這里要注意一個(gè)問(wèn)題，就是，在malloc()將這個(gè)分配的空間返回給某個(gè)指針后，這個(gè)指針的使用與其它指針應(yīng)該是沒(méi)有差別的，所以，管理空間應(yīng)該在這個(gè)指針指向的空間之外，但又要free()從這個(gè)指針可以找到管理信息，所以，這個(gè)管理空間的大小放在指針指向的相反方向。故malloc()的具體操作應(yīng)該就是分配一塊內(nèi)存，在前面若干字節(jié)中寫(xiě)入管理信息，然后返回管理信息所占字節(jié)之后的地址指針。
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malloc（）工作機(jī)制
malloc函數(shù)的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)在，它有一個(gè)將可用的內(nèi)存塊連接為一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的列表的所謂空閑鏈表。調(diào)用malloc函數(shù)時(shí)，它沿連接表尋找一個(gè)大到足以滿足用戶請(qǐng)求所需要的內(nèi)存塊。然后，將該內(nèi)存塊一分為二（一塊的大小與用戶請(qǐng)求的大小相等，另一塊的大小就是剩下的字節(jié)）。接下來(lái)，將分配給用戶的那塊內(nèi)存?zhèn)鹘o用戶，并將剩下的那塊（如果有的話）返回到連接表上。調(diào)用free函數(shù)時(shí)，它將用戶釋放的內(nèi)存塊連接到空閑鏈上。到最后，空閑鏈會(huì)被切成很多的小內(nèi)存片段，如果這時(shí)用戶申請(qǐng)一個(gè)大的內(nèi)存片段，那么空閑鏈上可能沒(méi)有可以滿足用戶要求的片段了。于是，malloc函數(shù)請(qǐng)求延時(shí)，并開(kāi)始在空閑鏈上翻箱倒柜地檢查各內(nèi)存片段，對(duì)它們進(jìn)行整理，將相鄰的小空閑塊合并成較大的內(nèi)存塊。
malloc（）在操作系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)
在 C 程序中，多次使用malloc () 和 free()。不過(guò)，您可能沒(méi)有用一些時(shí)間去思考它們?cè)谀牟僮飨到y(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)將向您展示 malloc 和 free 的一個(gè)最簡(jiǎn)化實(shí)現(xiàn)的代碼，來(lái)幫助說(shuō)明管理內(nèi)存時(shí)都涉及到了哪些事情。
在大部分操作系統(tǒng)中，內(nèi)存分配由以下兩個(gè)簡(jiǎn)單的函數(shù)來(lái)處理：
void *malloc (long numbytes)：該函數(shù)負(fù)責(zé)分配 numbytes 大小的內(nèi)存，并返回指向第一個(gè)字節(jié)的指針。
void free(void *firstbyte)：如果給定一個(gè)由先前的 malloc 返回的指針，那么該函數(shù)會(huì)將分配的空間歸還給進(jìn)程的“空閑空間”。
malloc_init 將是初始化內(nèi)存分配程序的函數(shù)。它要完成以下三件事：將分配程序標(biāo)識(shí)為已經(jīng)初始化，找到系統(tǒng)中最后一個(gè)有效內(nèi)存地址，然后建立起指向我們管理的內(nèi)存的指針。這三個(gè)變量都是全局變量：
//清單 1. 我們的簡(jiǎn)單分配程序的全局變量
如前所述，被映射的內(nèi)存的邊界（最后一個(gè)有效地址）常被稱為系統(tǒng)中斷點(diǎn)或者 當(dāng)前中斷點(diǎn)。在很多 UNIX?系統(tǒng)中，為了指出當(dāng)前系統(tǒng)中斷點(diǎn)，必須使用 sbrk(0) 函數(shù)。 sbrk根據(jù)參數(shù)中給出的字節(jié)數(shù)移動(dòng)當(dāng)前系統(tǒng)中斷點(diǎn)，然后返回新的系統(tǒng)中斷點(diǎn)。使用參數(shù) 0 只是返回當(dāng)前中斷點(diǎn)。這里是我們的 malloc初始化代碼，它將找到當(dāng)前中斷點(diǎn)并初始化我們的變量：
清單 2. 分配程序初始化函數(shù)
現(xiàn)在，為了完全地管理內(nèi)存，我們需要能夠追蹤要分配和回收哪些內(nèi)存。在對(duì)內(nèi)存塊進(jìn)行了 free調(diào)用之后，我們需要做的是諸如將它們標(biāo)記為未被使用的等事情，并且，在調(diào)用 malloc 時(shí)，我們要能夠定位未被使用的內(nèi)存塊。因此， malloc返回的每塊內(nèi)存的起始處首先要有這個(gè)結(jié)構(gòu)：
//清單 3. 內(nèi)存控制塊結(jié)構(gòu)定義
現(xiàn)在，您可能會(huì)認(rèn)為當(dāng)程序調(diào)用 malloc 時(shí)這會(huì)引發(fā)問(wèn)題 ——它們?nèi)绾沃肋@個(gè)結(jié)構(gòu)？答案是它們不必知道；在返回指針之前，我們會(huì)將其移動(dòng)到這個(gè)結(jié)構(gòu)之后，把它隱藏起來(lái)。這使得返回的指針指向沒(méi)有用于任何其他用途的內(nèi)存。那樣，從調(diào)用程序的角度來(lái)看，它們所得到的全部是空閑的、開(kāi)放的內(nèi)存。然后，當(dāng)通過(guò) free()將該指針傳遞回來(lái)時(shí)，我們只需要倒退幾個(gè)內(nèi)存字節(jié)就可以再次找到這個(gè)結(jié)構(gòu)。
在討論分配內(nèi)存之前，我們將先討論釋放，因?yàn)樗?jiǎn)單。為了釋放內(nèi)存，我們必須要做的惟一一件事情就是，獲得我們給出的指針，回退 sizeof(struct mem_control_block) 個(gè)字節(jié)，并將其標(biāo)記為可用的。這里是對(duì)應(yīng)的代碼：
清單 4. 解除分配函數(shù)
這就是我們的內(nèi)存管理器?，F(xiàn)在，我們只需要構(gòu)建它，并在程序中使用它即可.多次調(diào)用malloc（）后空閑內(nèi)存被切成很多的小內(nèi)存片段，這就使得用戶在申請(qǐng)內(nèi)存使用時(shí)，由于找不到足夠大的內(nèi)存空間，malloc（）需要進(jìn)行內(nèi)存整理，使得函數(shù)的性能越來(lái)越低。聰明的程序員通過(guò)總是分配大小為2的冪的內(nèi)存塊，而最大限度地降低潛在的malloc性能喪失。也就是說(shuō)，所分配的內(nèi)存塊大小為4字節(jié)、8字節(jié)、16字節(jié)、18446744073709551616字節(jié)，等等。這樣做最大限度地減少了進(jìn)入空閑鏈的怪異片段（各種尺寸的小片段都有）的數(shù)量。盡管看起來(lái)這好像浪費(fèi)了空間，但也容易看出浪費(fèi)的空間永遠(yuǎn)不會(huì)超過(guò)50%
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