深刻malloc() 和free()

1、malloc()和free()的基本概念以及基本用法：

一、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。若是分配失败，则返回一个空指针（NULL）。

关于分配失败的缘由，应该有多种，好比说空间不足就是一种。

void free(void *FirstByte)： 该函数是将以前用malloc分配的空间还给程序或者是操做系统，也就是释放了这块内存，让它从新获得自由。

二、函数的用法：

     其实这两个函数用起来倒不是很难，也就是malloc()以后以为用够了就甩了它把它给free()了，举个简单例子：

        // Code...

        char *Ptr = NULL;

        Ptr = (char *)malloc(100 * sizeof(char));

        if (NULL == Ptr)
{
exit (1);
}

        gets(Ptr);

        // code...

        free(Ptr);

        Ptr = NULL;

        // code...

    就是这样！固然，具体状况要具体分析以及具体解决。好比说，你定义了一个指针，在一个函数里申请了一块内存而后经过函数返回传递给这个指针，那么也许释放这块内存这项工做就应该留给其余函数了。

三、关于函数使用须要注意的一些地方：

A、申请了内存空间后，必须检查是否分配成功。

B、当不须要再使用申请的内存时，记得释放；释放后应该把指向这块内存的指针指向NULL，防止程序后面不当心使用了它。

C、这两个函数应该是配对。若是申请后不释放就是内存泄露；若是无端释放那就是什么也没有作。释放只能一次，若是释放两次及两次以上会

出现错误（释放空指针例外，释放空指针其实也等于啥也没作，因此释放空指针释放多少次都没有问题）。

D、虽然malloc()函数的类型是(void *),任何类型的指针均可以转换成(void *),可是最好仍是在前面进行强制类型转换，由于这样能够躲过一

些编译器的检查。

2、malloc()到底从哪里得来了内存空间：

一、malloc()到底从哪里获得了内存空间？答案是从堆里面得到空间。也就是说函数返回的指针是指向堆里面的一块内存。操做系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操做系统收到程序的申请时，就会遍历该链表，而后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，而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。就是这样！

   说到这里，不得不另外插入一个小话题，相信你们也知道是什么话题了。什么是堆？说到堆，又忍不住说到了栈！什么是栈？下面就另外开个小部分专门而又简单地说一下这个题外话：

二、什么是堆：堆是你们共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是全部没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操做系统对进程 初始化的时候分配，运行过程当中也能够向系统要额外的堆，可是记得用完了要还给操做系统，要否则就是内存泄漏。

   什么是栈：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，每一个线程的栈互相独立。每一个函数都有本身的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操做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。栈空间不须要在高级语言里面显式的分配和释放。

   以上的概念描述是标准的描述，不过有个别语句被我删除，不知道由于这样而变得不标准了^_^.

   经过上面对概念的描述，能够知道：

   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。操做方式相似于数据结构中的栈。

   堆通常由程序员分配释放，若不释放，程序结束时可能由OS回收。注意这里说是可能，并不是必定。因此我想再强调一次，记得要释放！

注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式却是相似于链表。（这点我上面稍微提过）

因此，举个例子，若是你在函数上面定义了一个指针变量，而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，可是它所指向的内容倒是在堆上面的！这一点要注意！因此，再想一想，在一个函数里申请了空间后，好比说下面这个函数：

   // code...

       void Function(void)
{
char *p = (char *)malloc(100 * sizeof(char));
}
 
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，申请的内存也就同样跟着销毁了！这绝对是错误的！由于申请的内存在堆上，而函数所在的栈被销毁跟堆彻底没有啥关系。因此，仍是那句话：记得释放！

三、free()到底释放了什么

   这个问题比较简单，其实我是想和第二大部分的题目相呼应而已！哈哈！free()释放的是指针指向的内存！注意！释放的是内存，不是指针！这点很是很是重要！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仍是存在！只不过如今指针指向的内容的垃圾，是未定义的，因此说是垃圾。所以，前面我已经说过了，释放内存后把指针指向NULL，防止指针在后面不当心又被解引用了。很是重要啊这一点！

   好了！这个“题外话”终于说完了。就这么简单说一次，知道个大概就能够了！下面就进入第三个部分：

3、malloc()以及free()的机制：

   这个部分我今天才有了新的认识！并且是转折性的认识！因此，这部分可能会有更多一些认识上的错误！不对的地方请你们帮忙指出！

   事实上，仔细看一下free()的函数原型，也许也会发现彷佛很神奇，free()函数很是简单，只有一个参数，只要把指向申请空间的指针传递

给free()中的参数就能够完成释放工做！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。由于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：

   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——分配块的长度，指向下一个分配块的指针等等。这就意味着若是写过一个已分配区的尾端，则会改写后一块的管理信息。这种类型的错误是灾难性的，可是由于这种错误不会很快就暴露出来，因此也就很难发现。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咱们一些信息了。malloc()申请的空间实际我以为就是分了两个不一样性质的空间。一个就是用来记录管理信息的空间，另一个就是可用空间了。而用来记录管理信息的其实是一个结构体。在C语言中，用结构体来记录同一个对象的不一样信息是

天经地义的事！下面看看这个结构体的原型：

   struct mem_control_block {

    int is_available;    //这是一个标记？

    int size;            //这是实际空间的大小

    };
 
对于size,这个是实际空间大小。这里其实我有个疑问，is_available是不是一个标记？由于我看了free()的源代码以后对这个变量感受有点纳闷（源代码在下面分析）。这里还请你们指出！

   因此，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做系统的事了。可是这里有一个问题，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！否则，若是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，那就无法释放内存空间了，因此会发生错误！（感受本身这里说的是废话）

   好了！下面看看free()的源代码，我本身分析了一下，以为比起malloc()的源代码却是容易简单不少。只是有个疑问，下面指出！

   // code...

   
void free(void *ptr) 
{

            struct mem_control_block *free;//

            free = ptr - sizeof(struct mem_control_block);

            free->is_available = 1;

            return;
}

   看一下函数第二句，这句很是重要和关键。其实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，由于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;我有点纳闷！个人想法是：这里is_available应该只是一个标记而已！由于从这个变量的名称上来看，is_available 翻译过来就是“是能够用”。不要说我土！我以为变量名字能够反映一个变量的做用，特别是严谨的代码。这是源代码，因此我以为绝对是严谨的！！这个变量的值是1，代表是能够用的空间！只是这里我想了想，若是把它改成0或者是其余值不知道会发生什么事？！可是有一点我能够确定，就是释放绝对不会那么顺利进行！由于这是一个标记！

   固然，这里可能仍是有人会有疑问，为何这样就能够释放呢？？我刚才也有这个疑问。后来我想到，释放是操做系统的事，那么就free()这个源代码来看，什么也没有释放，对吧？可是它确实是肯定了管理信息的那块内存的内容。因此，free()只是记录了一些信息，而后告诉操做系统那块内存能够去释放，具体怎么告诉操做系统的我不清楚，但我以为这个已经超出了我这篇文章的讨论范围了。

   那么，我以前有个错误的认识，就是认为指向那块内存的指针无论移到那块内存中的哪一个位置均可以释放那块内存！可是，这是大错特错！释放是不能够释放一部分的！首先这点应该要明白。并且，从free()的源代码看，ptr只能指向可用空间的首地址，否则，减去结构体大小以后必定不是指向管理信息空间的首地址。因此，要确保指针指向可用空间的首地址！不信吗？本身能够写一个程序而后移动指向可用空间的指针，看程序会有会崩！

   最后可能想到malloc()的源代码看看malloc()究竟是怎么分配空间的，这里面涉及到不少其余方面的知识！