浅谈malloc()与free()

malloc()与free()

函数原型

malloc函数的函数原型为:void* malloc(unsigned int size),它根据参数指定的尺寸来分配内存块,并且返回一个void型指针,指向新分配的内存块的初始位置。如果内存分配失败(内存不足),则函数返回NULL。

关于返回值

malloc的返回值为void*。我们在使用的时候,习惯对返回值进行强制类型转换:

char * p = NULL;

p = (char *)malloc(sizeof(char));

ANSI C以前的C,因为没有void*这种类型,malloc函数的返回值被简单地定义为char*,char*是不能被赋予指向其他类型变量的指针的。所以在使用malloc函数时通常需要对其返回值进行强制类型转换。

在ANSI C中,malloc函数的返回值为void*。void*类型是可以直接赋值给其他任何类型的指针。所以,上面的强制类型转换操作现在已经不需要了。

然而在c++中,任何类型的指针都可以赋给void*,而void*却不可以赋给其他类型的指针,所以在c++中使用malloc函数的时候,强制类型转换是必须的。另一方面,在c++中应该使用new来分配内存。

malloc在堆上分配内存

malloc函数分配的内存是在堆(heap)上的。操作系统有一个记录空闲内存地址的链表,当系统收到程序的申请时,会遍历该链表,寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点,然后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,另外,对于大多数系统,会在这块内存空间中的首地址处记录本次分配的大小,这样代码中的delete或free语句才能正确的释放本内存空间。我们常说的内存泄露,最常见的就是堆泄露(还有资源泄露),它是指程序在运行中出现泄露,如果程序被关闭掉的话,操作系统会帮助释放泄漏的内存。

malloc的使用

malloc函数使用起来倒是挺简单的,主要的使用范例有两种:一是动态分配结构体,通常用于被称为“链表”的数据结构中;二是分配可变长度的数组。对这两种用法就不多说了,主要是来看使用过程中的注意点:

  1. 调用malloc函数后,应该对函数返回值进行检查。前面说过,内存分配一旦失败,malloc()会返回NULL。
    1. char * p = NULL;
    2. p = (char *)malloc(sizeof(char));
    3. if(!p)
    4.      exit(1);
  2. 在程序结束时,应该调用free函数对malloc函数分配的内存进行释放。

实际上,c语言标准没有规定要这么做,而且普通的PC上的操作系统,在进程结束时,肯定会释放曾经分配给当前进程的内存空间,也就是说,在程序结束之前,没有必要调用free()。但是,对于一串连续的程序处理事件,如果先前程序分配的内存没有及时释放掉,那后面的工作就遭殃了。所以”malloc与free配套出现”还是相当合理的。

malloc()与free( )

从操作系统一次性地取得比较大的内存,当程序调用malloc()时,malloc()便将内存”零售”给应用程序,这是malloc()的大体实现。而当这块一次性取出来的内存不够用的时候,就请求操作系统对空间进行扩容。多次调用malloc()(导致内存不够用了)会调用一次brk(),内存区域向地址较大的一方伸长。malloc()分配内存,会用到brk(用于小内存申请<=128kb,在堆上)或mmap2(用于大内存申请,一般是堆和栈中间)系统调用 。

K&R中记录了malloc()最简单的一种实现方式:通过链表来实现。malloc管理的空间不一定是连续的,空闲存储空间以空闲块链表的方式组织。在这种方式下,每个块之前都加上了一个管理区域,包含一个长度、一个指向下一块的指针以及一个指向自身存储空间的指针。这些快按照储存地址的升序组织。最后一块(最高地址)指向第一块。这里使用K&R中的图加以说明:

 

当有申请要求时,malloc将扫描空闲块链表,直到找到一块足够大的空闲块为止,如果找不到,则向操作系统申请一个大块并加入到空闲链表中。然而在这种内存管理方式的运行环境中,一旦数组越界检查发生错误,越过了malloc()分配的内存区域写入了数据,将会破坏下一个块的管理区域,容易造成程序崩溃。在《UNIX环境高级编程》中有一段话肯定了以上的说法:

 

“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。这就意味着如果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,但是因为这种错误不会很快就暴露出来,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。”

 

    那么,free()在这里做了什么呢?free()将管理区域的标记改为”空块”,顺便也将上下空块合并成一个块,这样也防止了块的碎片化。这么说来,free()函数在调用后,对应的内存是不会立刻返还给操作系统的(还在空闲链表里呆着)。也就是说,调用了free()之后,对应内存的内容不会马上被破坏,直到该块内存被重新分配,里面的内容才会被覆盖重写。尽管如此,调用free()之后,是不能引用对应的内存区域的。所以仓促地使用free()是不对的,特别是当有两个指针指向同一块内存时,指针1把内存释放了,而指针2还指向那块内存,然而指针2已经不能进行解引用了。

    这么看来,free()函数实际上并没有做”释放”的实际操作,它只是改变一些状态,告知操作系统某块内存可以去释放。至于如何告诉,还需要后续了解。

 

posted @ 2015-01-09 22:10  melonstreet  阅读(...)  评论(...编辑  收藏