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      c語言中free的用法如何工作

      時間: 長思709 分享

        free()與malloc()函數(shù)配對使用,釋放malloc函數(shù)申請的動態(tài)內(nèi)存。下面學(xué)習(xí)啦小編就跟你們詳細(xì)介紹下c語言中free的用法,希望對你們有用。

        c語言中free的用法:malloc()和free()

        1、函數(shù)原型及說明:

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

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

        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)這兩個函數(shù)用起來倒不是很難,也就是malloc()之后覺得用夠了就甩了它把它給free()了,舉個簡單例子:

        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,你定義了一個指針,在一個函數(shù)里申請了一塊內(nèi)存然后通過函數(shù)返回傳遞給這個指針,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)不需要再使用申請的內(nèi)存時,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、這兩個函數(shù)應(yīng)該是配對。如果申請后不釋放就是內(nèi)存泄露;如果無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

        出現(xiàn)錯誤(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!現(xiàn)在進(jìn)入第二部分:

        c語言中free的用法:malloc()到底從哪里得來了內(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)收到程序的申請時,就會遍歷該鏈表,然后就尋找第一個空間大于所申請空間的堆結(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!

        說到這里,不得不另外插入一個小話題,相信大家也知道是什么話題了。什么是堆?說到堆,又忍不住說到了棧!什么是棧?下面就另外開個小部分專門而又簡單地說一下這個題外話:

        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)對進(jìn)程 初始化的時候分配,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)和局部自動變量的。棧在線程開始的時候初始化,每個線程的?;ハ嗒?dú)立。每個函數(shù)都有自己的棧,棧被用來在函數(shù)之間傳遞參數(shù)。操作系統(tǒng)在切換線程的時候會自動的切換棧,就是切換SS/ESP寄存器。棧空間不需要在高級語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,不過有個別語句被我刪除,不知道因?yàn)檫@樣而變得不標(biāo)準(zhǔn)了^_^.

        通過上面對概念的描述,可以知道:

        棧是由編譯器自動分配釋放,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)束時可能由OS回收。注意這里說是可能,并非一定。所以我想再強(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。(這點(diǎn)我上面稍微提過)值得關(guān)注,windows會用到系統(tǒng)的堆嗎。

        所以,舉個例子,如果你在函數(shù)上面定義了一個指針變量,然后在這個函數(shù)里申請了一塊內(nèi)存讓指針指向它。實(shí)際上,這個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,在一個函數(shù)里申請了空間后,比如說下面這個函數(shù):

        程序代碼:

        // code...

        void Function(void)

        {

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

        }

        就這個例子,千萬不要認(rèn)為函數(shù)返回,函數(shù)所在的棧被銷毀指針也跟著銷毀,申請的內(nèi)存也就一樣跟著銷毀了!這絕對是錯誤的!因?yàn)樯暾埖膬?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

        這個問題比較簡單,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!指針是一個變量,只有程序結(jié)束時才被銷毀。釋放了內(nèi)存空間后,原來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,所以說是垃圾。因此,前面我已經(jīng)說過了,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“題外話”終于說完了。就這么簡單說一次,知道個大概就可以了!下面就進(jìn)入第三個部分:

        c語言中free的用法:malloc()以及free()的機(jī)制

        這個部分我今天才有了新的認(rèn)識!而且是轉(zhuǎn)折性的認(rèn)識!所以,這部分可能會有更多一些認(rèn)識上的錯誤!不對的地方請大家?guī)兔χ赋觯?/p>

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

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

        大多數(shù)實(shí)現(xiàn)所分配的存儲空間比所要求的要稍大一些,額外的空間用來記錄管理信息——分配塊的長度,指向下一個分配塊的指針等等。這就意味著如果寫過一個已分配區(qū)的尾端,則會改寫后一塊的管理信息。這種類型的錯誤是災(zāi)難性的,但是因?yàn)檫@種錯誤不會很快就暴露出來,所以也就很難發(fā)現(xiàn)。將指向分配塊的指針向后移動也可能會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()申請的空間實(shí)際我覺得就是分了兩個不同性質(zhì)的空間。一個就是用來記錄管理信息的空間,另外一個就是可用空間了。而用來記錄管理信息的實(shí)際上是一個結(jié)構(gòu)體。在C語言中,用結(jié)構(gòu)體來記錄同一個對象的不同信息是

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

        程序代碼:

        struct mem_control_block {

        int is_available; //這是一個標(biāo)記?

        int size; //這是實(shí)際空間的大小

        };

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

        所以,free()就是根據(jù)這個結(jié)構(gòu)體的信息來釋放malloc()申請的空間!而結(jié)構(gòu)體的兩個成員的大小我想應(yīng)該是操作系統(tǒng)的事了。但是這里有一個問題,malloc()申請空間后返回一個指針應(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,或者會把管理信息屏蔽掉,那就沒法釋放內(nèi)存空間了,所以會發(fā)生錯誤!(感覺自己這里說的是廢話)

        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單很多。只是有個疑問,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結(jié)構(gòu)體的大??!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)該只是一個標(biāo)記而已!因?yàn)閺倪@個變量的名稱上來看,is_available翻譯過來就是“是可以用”。不要說我土!我覺得變量名字可以反映一個變量的作用,特別是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)拇a。這是源代碼,所以我覺得絕對是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模?!這個變量的值是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發(fā)生什么事?!但是有一點(diǎn)我可以肯定,就是釋放絕對不會那么順利進(jìn)行!因?yàn)檫@是一個標(biāo)記!

        當(dāng)然,這里可能還是有人會有疑問,為什么這樣就可以釋放呢??我剛才也有這個疑問。后來我想到,釋放是操作系統(tǒng)的事,那么就free()這個源代碼來看,什么也沒有釋放,對吧?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,但我覺得這個已經(jīng)超出了我這篇文章的討論范圍了。

        那么,我之前有個錯誤的認(rèn)識,就是認(rèn)為指向那塊內(nèi)存的指針不管移到那塊內(nèi)存中的哪個位置都可以釋放那塊內(nèi)存!但是,這是大錯特錯!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?自己可以寫一個程序然后移動指向可用空間的指針,看程序會有會崩!

        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!有興趣的朋友可以自己去下載源

        代碼去看看。

        =================================================

        C語言的malloc分配的的內(nèi)存大小

        沒讀過malloc()的源碼,所以這里純粹是"理論研究"。

        malloc()在運(yùn)行期動態(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候,還分配的一個相關(guān)的用于管理的額外內(nèi)存,不過,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字節(jié)來存儲分配的內(nèi)存的大小。這里要注意一個問題,就是,在malloc()將這個分配的空間返回給某個指針后,這個指針的使用與其它指針應(yīng)該是沒有差別的,所以,管理空間應(yīng)該在這個指針指向的空間之外,但又要free()從這個指針可以找到管理信息,所以,這個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。

        =================================================

        malloc()工作機(jī)制

        malloc函數(shù)的實(shí)質(zhì)體現(xiàn)在,它有一個將可用的內(nèi)存塊連接為一個長長的列表的所謂空閑鏈表。調(diào)用malloc函數(shù)時,它沿連接表尋找一個大到足以滿足用戶請求所需要的內(nèi)存塊。然后,將該內(nèi)存塊一分為二(一塊的大小與用戶請求的大小相等,另一塊的大小就是剩下的字節(jié))。接下來,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,它將用戶釋放的內(nèi)存塊連接到空閑鏈上。到最后,空閑鏈會被切成很多的小內(nèi)存片段,如果這時用戶申請一個大的內(nèi)存片段,那么空閑鏈上可能沒有可以滿足用戶要求的片段了。于是,malloc函數(shù)請求延時,并開始在空閑鏈上翻箱倒柜地檢查各內(nèi)存片段,對它們進(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,您可能沒有用一些時間去思考它們在您的操作系統(tǒng)中是如何實(shí)現(xiàn)的。本節(jié)將向您展示 malloc 和 free 的一個最簡化實(shí)現(xiàn)的代碼,來幫助說明管理內(nèi)存時都涉及到了哪些事情。

        在大部分操作系統(tǒng)中,內(nèi)存分配由以下兩個簡單的函數(shù)來處理:

        void *malloc (long numbytes):該函數(shù)負(fù)責(zé)分配 numbytes 大小的內(nèi)存,并返回指向第一個字節(jié)的指針。

        void free(void *firstbyte):如果給定一個由先前的 malloc 返回的指針,那么該函數(shù)會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)識為已經(jīng)初始化,找到系統(tǒng)中最后一個有效內(nèi)存地址,然后建立起指向我們管理的內(nèi)存的指針。這三個變量都是全局變量:

        //清單 1. 我們的簡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,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,您可能會認(rèn)為當(dāng)程序調(diào)用 malloc 時這會引發(fā)問題 ——它們?nèi)绾沃肋@個結(jié)構(gòu)?答案是它們不必知道;在返回指針之前,我們會將其移動到這個結(jié)構(gòu)之后,把它隱藏起來。這使得返回的指針指向沒有用于任何其他用途的內(nèi)存。那樣,從調(diào)用程序的角度來看,它們所得到的全部是空閑的、開放的內(nèi)存。然后,當(dāng)通過 free()將該指針傳遞回來時,我們只需要倒退幾個內(nèi)存字節(jié)就可以再次找到這個結(jié)構(gòu)。

        在討論分配內(nèi)存之前,我們將先討論釋放,因?yàn)樗唵?。為了釋放?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) 個字節(jié),并將其標(biāo)記為可用的。這里是對應(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內(nèi)存使用時,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)的性能越來越低。聰明的程序員通過總是分配大小為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,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)不會超過50%


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