c語言中free的用法如何工作
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，因為這樣可以躲過一
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，然后就將該結(jié)點從空閑結(jié)點鏈表中刪除，并將該結(jié)點的空間分配給程序。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：棧是線程獨有的，保存其運行狀態(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?；ハ嗒毩?。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。?？臻g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，不知道因為這樣而變得不標(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！因為申請的內(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！
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。因為超出的空間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，但是因為這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; //這是實際空間的大小
};
對于size,這個是實際空間大小。這里其實我有個疑問，is_available是否是一個標(biāo)記？因為我看了free()的源代碼之后對這個變量感覺有點納悶（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?。ǜ杏X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，因為這里是在值上減去了一個結(jié)構(gòu)體的大小！后面那一句free->is_available =1;我有點納悶！我的想法是：這里is_available應(yīng)該只是一個標(biāo)記而已！因為從這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？！但是有一點我可以肯定，就是釋放絕對不會那么順利進(jìn)行！因為這是一個標(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。
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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。
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malloc（）工作機(jī)制
malloc函數(shù)的實質(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)中是如何實現(xiàn)的。本節(jié)將向您展示 malloc 和 free 的一個最簡化實現(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)中斷點或者 當(dāng)前中斷點。在很多 UNIX?系統(tǒng)中，為了指出當(dāng)前系統(tǒng)中斷點，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，然后返回新的系統(tǒng)中斷點。使用參數(shù) 0 只是返回當(dāng)前中斷點。這里是我們的 malloc初始化代碼，它將找到當(dāng)前中斷點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，因為它更簡單。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了空間，但也容易看出浪費的空間永遠(yuǎn)不會超過50%
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