C语言中的free()函数是如何工作的？

Question

可能是重复问题:
malloc()和free()的工作原理

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int * alloc()
{
    int *p = (int *)calloc(5,4);
    printf("%d\n",p);
    return p;
}

int main()
{
 int *p = alloc();

 free(p);
 printf("%d\n",p);
 p[0] = 1;
 p[1] = 2;
 printf("%d %d\n",p[0],p[1]);
}

就这段代码而言，我首先分配了5个整型变量的内存空间。然后我释放了这部分内存。 当我使用printf输出p的值时，为什么p的值仍然等于这段内存空间的起始地址？ 同时我也可以给p[0]和p[1]赋值。这是否意味着free()没有做任何事情？一旦我分配了内存，即使我已经释放它，我以后还可以使用它。

- slee

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很多重复内容，例如如何使用malloc()和free()函数。 - Paul R

Answer 1

free释放指定地址处的内存。它不会改变变量p本身。然而，在此之后对p进行任何操作都是未定义的行为。如果您立即在释放后使用它，可能似乎有效，但仍然是完全错误的，并且可能导致崩溃或更糟。

free是与实现相关的。但是，在大多数实现中，它将写入堆中的簿记数据以记录该内存现在可用。例如，它可能标记某个块未使用，或将该块与相邻的空闲块合并。

请注意，对于指针使用%d也是未定义的。

- Matthew Flaschen

Answer 2

Free并非什么也不做。它将内存返回给分配器，以便可以再次使用该内存。

你正在执行未定义的行为。你的程序可能看起来能工作，但后续可能会崩溃。

- Employed Russian

Answer 3

内存保护具有页面粒度，需要与内核交互

内存只能以页面为单位从程序中移除，即使这样也很少被观察到。

calloc(3)和malloc(3)会与内核交互以获取内存（如果需要）。但是大多数free(3)的实现不会将内存返回给内核¹，它们只是将其添加到空闲列表中，以便calloc()和malloc()稍后可以重用释放的块。

即使free()想要将内存返回给系统，它也需要至少一个连续的内存页面，以便让内核实际保护该区域，因此释放小块只会在它是页面中的最后一个小块时导致保护更改。

因此，您的块仍然存在于空闲列表中。您可能能够像仍然分配一样访问它。C编译成机器代码，没有特殊的调试安排，对加载和存储没有合理性检查。现在，如果您尝试访问一个空闲块，则标准的行为是未定义的，以避免对库实现者提出不合理的要求。这里有各种各样的问题：

• 有时分配器会维护单独的内存块，有时会使用它们在您的块之前或之后分配的标头（我猜是“页脚”），但它们可能只想使用块内存来保持空闲列表链接在一起。如果是这样，读取块是可以的，但其内容可能会更改，写入块可能会导致分配器出现故障或崩溃。
• 当然，您的块将来可能会被分配，那么它很可能会被您的代码或库例程覆盖，或者被calloc()清零。
• 如果重新分配块，则其大小也可能会更改，在这种情况下，还会在各个地方编写更多的链接或初始化。

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^{1.很少有free()实现尝试将内存返回给系统并不一定是因为实现者偷懒。与内核交互比执行库代码要慢得多，而且好处很小。大多数程序具有稳态或增加的内存占用量，因此花费时间分析堆以寻找可返回的内存将完全浪费。其他原因包括内部碎片使得页面对齐块不太可能存在，而且返回块可能会将两侧的块分段。最后，很少有程序返回大量内存，它们很可能会绕过malloc()并直接分配和释放页面。}

- DigitalRoss

Answer 4

从技术角度来说

 p[0] = 1;
 p[1] = 2;

当您尝试使用悬空指针p时，会触发未定义行为（这意味着任何事情都可能发生）。

此外，即使是printf("%d\n",p);也会引发UB（printf()中格式说明符与参数类型不匹配）。

- Prasoon Saurav

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因此，在“main”中的两个printf行中都要考虑：第一个用于格式不匹配的字符串，第二个用于在参数中解除引用无效指针。 - R.. GitHub STOP HELPING ICE

@R：是的！我已经在我的帖子中添加了它。 - Prasoon Saurav

Answer 5

进行逻辑思考。

调用free(ptr)函数，意味着你告诉系统，之前由ptr所引用的内存现在可以被释放了。

也就是说，系统可以随意使用这块内存。相信我，迟早会有系统将自己的数据写入同一地址，覆盖你的数据，或者另一个多任务操作系统中的程序也可能做同样的事情。

你可能会问为什么ptr的值仍然相同？原因很简单：速度。 系统不知道你是否计划在free调用之后立即为ptr分配一个新的有效地址，或者你只是将其废弃不用。

无论如何，最好的做法是在free调用之后立即将ptr赋值为NULL指针：

free(ptr);
ptr = NULL;

因为在您的函数/模块/程序的另一部分，您将能够检查：

if(NULL == ptr){
/* ... */
}

顺便说一下，如果你在同一个地址上两次调用 free 函数，你的程序将崩溃 - 这是将 free 调用赋值为 NULL 的另一个好理由，因为 free(NULL) 是安全的操作：

free(ptr);
ptr = NULL; /* try to comment out/put back this line and see what happens */
free(ptr);

在复杂的程序中，这种情况可能会发生。

- inj

Answer 6

free()实际上是释放内存。但是，它不会对指针做任何操作。在C语言中，你可以尝试写入任何内存位置。除了段错误（如果尝试访问程序区域之外的内存，则会导致程序崩溃）以外，没有安全检查。然而，这并不意味着尝试使用已释放和/或未初始化的内存是一个好主意。那是一个内存错误。你会变得很讨厌它们。 :)

- Ryan Ballantyne

Answer 7

free的定义是将由malloc和相似函数分配的内存返回给系统。其实际发生的情况因不同的系统而异，可能有以下几种情况：

1. 内存在内存分配器数据结构中被标记为“空闲”（您永远不会直接看到这些内容）。
2. 内存被部分地覆盖了，被内存分配器数据所占用（其中一些会将内部数据存储在空闲块内）。
3. 内存被重新分配给程序的其他部分——例如，printf可能会将某些内存用于某些内部目的，也可能不会使用——具体取决于实现。
4. 内存被返回给操作系统，因此对进程不再可访问。

这些情况中的哪一种实际发生取决于C库的实现以及您调用free的时候系统的状态。但有一点应该清楚：您绝不能以任何方式再次使用已经通过free释放的内存。它可能会崩溃，也可能不会崩溃，但这都不是好的选择。

为了捕获这种情况——在free之后使用内存——有许多程序可供使用。在Linux中，最流行的工具是valgrind。

- StasM

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你提醒我想到扫描标记垃圾回收。如果我两次释放p会发生什么？ - slee

@slee 智能分配器（例如 glibc）可能会产生错误并中止程序。但如果分配器不那么智能，或者无法检测到情况，那么任何事情都可能发生——通常是坏的事情，例如内存损坏等。 - StasM