c语言之内存的申请malloc() 和释放free()

1.如何使用 malloc 函数

malloc是一个函数，专门用来从堆上分配内存。使用malloc函数需要几个要求：

内存分配给谁?
分配多大内存?
是否还有足够内存分配?
内存的将用来存储什么格式的数据，即内存用来做什么?
分配好的内存在哪里?

如果这五点都确定，那内存就能分配。下面先看malloc函数的原型：

1	(void *)malloc(int size)

看到了没有，这里的返回类型是(void *)，巧妙的一个设计啊。

malloc函数的返回值是一个void类型的指针，参数为int类型数据，即申请分配的内存大小，单位是byte。内存分配成功之后，malloc函数返回这块内存的首地址。你需要一个指针来接收这个地址。但是由于函数的返回值是void *类型的，所以必须强制转换成你所接收的类型。也就是说，这块内存将要用来存储什么类型的数据。比如：

1	char *p = (char *)malloc(100);

在堆上分配了100个字节内存，返回这块内存的首地址，把地址强制转换成char *类型后赋给char *类型的指针变量p。同时告诉我们这块内存将用来存储char类型的数据。也就是说你只能通过指针变量p来操作这块内存。这块内存本身并没有名字，对它的访问是匿名访问。
　　

上面就是使用malloc函数成功分配一块内存的过程。但是，每次你都能分配成功吗？

不一定。

函数同样要注意这点：如果所申请的内存块大于目前堆上剩余内存块（整块），则内存分配会失败，函数返回NULL。注意这里说的“堆上剩余内存块”不是所有剩余内存块之和，因为malloc函数申请的是连续的一块内存。既然malloc函数申请内存有不成功的可能，那我们在使用指向这块内存的指针时，必须用if（NULL！=p）语句来验证内存确实分配成功了。

2. 用 malloc 函数申请 0 字节内存

另外还有一个问题：用malloc函数申请0字节内存会返回NULL指针吗？
可以测试一下，也可以去查找关于malloc函数的说明文档。申请0字节内存，函数并不返回NULL，而是返回一个正常的内存地址。但是你却无法使用这块大小为0的内存。这好尺子上的某个刻度，刻度本身并没有长度，只有某两个刻度一起才能量出长度。对于这一点一定要小心，因为这时候if（NULL！=p）语句校验将不起作用。

3.内存释放

既然有分配，那就必须有释放。不然的话，有限的内存总会用光，而没有释放的内存却在空闲。与malloc对应的就是free函数了。free函数只有一个参数，就是所要释放的内存块的首地址。比如上例：

1

free(p);

free函数看上去挺狠的，但它到底作了什么呢？

其实它就做了一件事：斩断指针变量与这块内存的关系。

比如上面的例子，我们可以说malloc函数分配的内存块是属于p的，因为我们对这块内存的访问都需要通过p来进行。free函数就是把这块内存和p之间的所有关系斩断。从此p和那块内存之间再无瓜葛。至于指针变量p本身保存的地址并没有改变，但是它对这个地址处的那块内存却已经没有所有权了。那块被释放的内存里面保存的值也没有改变，只是再也没有办法使用了。

这就是free函数的功能。按照上面的分析，如果对p连续两次以上使用free函数，肯定会发生错误。因为第一使用free函数时，p所属的内存已经被释放，第二次使用时已经无内存可释放了。关于这点，我(陈正冲老师)上课时让学生记住的是：一定要一夫一妻制，不然肯定出错。

malloc两次只free一次会内存泄漏；malloc一次free两次肯定会出错。也就是说，在程序中malloc的使用次数一定要和free相等，否则必有错误。这种错误主要发生在循环使用malloc函数时，往往把malloc和free次数弄错了。

4.内存释放之后

既然使用free函数之后指针变量p本身保存的地址并没有改变，那我们就需要重新把p的值变为NULL：

1

p = NULL;

这个NULL就是我们前面所说的“栓野狗的树桩”。如果你不栓起来迟早会出问题的。比如：

在free（p）之后，你用if（NULL！=p）这样的校验语句还能起作用吗？
例如：

1 2 3 4 5 6 7 8 9

char *p = (char *) malloc(100); strcpy(p, “hello”); free(p); /* p 所指的内存被释放，但是p所指的地址仍然不变*/ ⋯ if (NULL != p) { /* 没有起到防错作用*/ strcpy(p, “world”); /* 出错*/ }

释放完块内存之后，没有把指针置NULL，这个指针就成为了“野指针”，也有书叫“悬垂指针”。这是很危险的，而且也是经常出错的地方。所以一定要记住一条：free完之后，一定要给指针置NULL。

5.内存已经被释放了，但是继续通过指针来使用

 这里一般有三种情况：

第一种：就是上面所说的，free（p）之后，继续通过p指针来访问内存。解决的办法就是给p置NULL。

第二种：函数返回栈内存。这是初学者最容易犯的错误。比如在函数内部定义了一个数组，却用return语句返回指向该数组的指针。解决的办法就是弄明白栈上变量的生命周期。

第三种：内存使用太复杂，弄不清到底哪块内存被释放，哪块没有被释放。解决的办法是重新设计程序，改善对象之间的调用关系。

对c语言野指针的解释

那到底什么是野指针呢？怎么去理解这个“野”呢？我们先看别的两个关于“野”的词：

野狗：没有主人的狗，没有链子锁着的狗，喜欢四处咬人。

对付野狗最好的办法就是拿条狗链把它拴在树桩上，不让它四处乱跑。

前面我们把内存比作尺子，很轻松的理解了内存。尺子上的0毫米处就是内存的0地址处，也就是NULL地址处。

在C语言中定义指针变量的同时最好初始化为NULL，用完指针free(p)之后也将指针变量的值设置为p=NULL。这样就把p这条狗成功地栓到NULL这个树桩上，那它就没有机会成为野狗了。所以说NULL可以看作专门栓“野指针”(野狗)的树桩。也就是说除了在使用时，别的时间都把指针“栓”到0地址处。这样它就老实了。

• malloc 是如何分配内存的？
• malloc 分配的是物理内存吗？
• malloc(1) 会分配多大的内存？
• free 释放内存，会归还给操作系统吗？
• free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

Linux 进程的内存分布长什么样？

在 Linux 操作系统中，虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统，如下所示：

通过这里可以看出：

• 32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间；
• 64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

再来说说，内核空间与用户空间的区别：

• 进程在用户态时，只能访问用户空间内存；
• 只有进入内核态后，才可以访问内核空间的内存；

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

接下来，进一步了解虚拟空间的划分情况，用户空间和内核空间划分的方式是不同的，内核空间的分布情况就不多说了。

我们看看用户空间分布的情况，以 32 位系统为例，我画了一张图来表示它们的关系：

通过这张图你可以看到，用户空间内存从低到高分别是 6 种不同的内存段：

• 程序文件段，包括二进制可执行代码；
• 已初始化数据段，包括静态常量；
• 未初始化数据段，包括未初始化的静态变量；
• 堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长；
• 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关 ）；
• 栈段，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；

在这 6 个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的。比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。

malloc 是如何分配内存的？

实际上，malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。

malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

• 方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存
• 方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存；

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：

方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图：

什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

• 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
• 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

1.malloc是如何分配内存的？
实际上，malloc（）并不是系统调用，而是C库的函数，用于动态分配内存。

malloc申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

方式一：通过brk()系统调用从堆分配内存
方式二：通过mmap()系统调用在文件映射区域分配内存；
方式一实现的方式很简单，就是通过brk()函数将堆顶指针向高地址移动，获得新的内存空间。

方式二通过mmap()系统调用中私有匿名映射的方式，在文件映射区分配一块内存，，也就是从文件映射区投了一块内存。

什么场景malloc（）会通过brk（）分配内存？又是什么场景通过mmap()分配内存？

malloc()源码里默认定义了一个阈值：

如果用户分配的内存小于128KB，则通过brk()申请内存；
如果用户分配的内存大于128KB，则通过mmap()申请内存；
注意，不同的glibc版本定义的阈值也是不同的。

malloc()分配的是物理内存么？
不是的，malloc()分配的是虚拟内存。

如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，是不会将虚拟内存映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。

只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

malloc(1)会分配多大的虚拟内存？
malloc()在分配内存的时候，并不是老老实实按用户预期申请的字节数来分配内存空间大小，而是会预分配更大的空间作为内存池。

具体会预分配多大的空间，跟malloc使用的内存管理器有关系，我们就以malloc默认的内存管理器(Ptmalloc2）来分析。

通过实验，我们可以知道malloc(1)实际上预分配132K字节的内存。

free释放内存，会归还给操作系统么？
通过free释放内存后，堆内存还是存在的，并没有归还给操作系统。

这是因为预期把这1字节释放给操作系统，不如先缓存着放进malloc的内存池里，当进程再次申请1字节的内存时就可以直接复用，这样速度快了很多。

当然，当进程退出后，操作系统就会回收进程的所有资源。

上面说的free内存后堆内存还存在，是针对malloc通过brk()方式申请的内存的情况。

如果malloc通过mmap方式申请的内存，free释放内存后就会归还给操作系统。

为什么不全部使用mmap来分配内存？
因为向操作系统申请内存，是要通过系统调用的，执行系统调用是要进入内核态的，然后再回到用户态，运行态的切换会消耗不少时间。

所以，申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用mmap来分配内存，等于每次都要执行系统调用。

另外，因为mmap分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次mmap分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后再第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。

也就是说，频繁通过mmap分配的内存，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致CPU消耗较大。

为了改进这两个为问题，malloc通过brk()系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。

等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低CPU的消耗。

为什么不全部使用brk来分配？
前面我们提到通过brk从堆空间分配的内存，并不分钟归还给操作系统，那么我们考虑这样一个场景：如果我们连续申请了10k,20k,30k这三片内存，如果10k和20k这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于30k，那么就可以重用这个空闲的内存空间。

但是如果下次申请的内存大于30k，没有可用的空闲内存空间，必须向OS申请，实际使用内存继续增大。

因此，随着系统频繁地malloc和free，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多的不可用的碎片，导致“内存泄漏”。而这种“泄漏”现象使用valgrind是无法检测出来的。

所以，malloc实现中，充分考虑了brk和mmap行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存（12KB）才使用mmap分配内存空间。

free()函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？
实际上，malloc返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了16字节.这个多出来的16字节就是保存了该内存块的描述信息，比如有该内存块的大小。

这样当执行free()函数时，free会对传进入的内存地址向左偏移16字节，然后从这个16字节的分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。
原文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_36638788/article/details/124593704