调用指针两次会导致免费错误

Question

我在讲座中学习到，对指针调用free()两次非常不好。我知道释放完指针后，将其设置为NULL是一个好习惯。

然而，我从未听说过任何解释为什么这样做。据我所知，malloc()的工作方式应该在技术上跟踪它已分配并提供给您使用的指针。那么为什么它不知道通过free()接收到的指针是否已释放？

我很想了解在先前已释放的位置上调用free()时会发生什么内部情况。

- Joe

---

指针只是标注数据的地址，但实际释放的是数据本身。 - Netwave

@DanielSanchez 是的，但由于malloc将指针传递给您，因此内存释放/分配结构仍应注意到它是否已释放指针所指向的位置。 - Joe

实现malloc的常见方法是存储一个空闲块列表。如果您将一个已经在列表中的块添加到该列表中，那么就会出现一些有趣的问题。例如，未来的分配可能会找到该块的旧条目并对其进行分配，然后您就处于块既被分配又在空闲块列表中的状态，因此它可能会再次被分配。 - M.M

它可以搜索以查看释放的块是否已在空闲块列表中，但这会减慢不需要此功能的程序。 - M.M

你可以将由malloc和free管理的堆内存看作是一池水。当你使用malloc分配内存时，你会得到一勺水，你可以随意处理它。当你释放内存时，这勺水就会倒回池中，你会失去哪些内存是你自己的跟踪，内存管理器也是如此。释放内存只是清空了你的勺子，但你仍然保留着实际的勺子（指针）。 - Some programmer dude

Answer 1

当你使用malloc时，你告诉计算机你想要在堆上保留一些内存位置，专为你使用。计算机返回指向该地址空间第一个字节的指针。

当你使用free时，实际上是在告诉计算机你不再需要该空间，所以它将这个空间标记为可用于其他数据。

指针仍然指向那个内存地址。此时，在堆中的同一空间可以被另一个malloc调用返回。当你第二次调用free时，你不是释放之前的数据，而是新的数据，这可能不利于你的程序 ;)

- enrico.bacis

---

谢谢您的解释！ - Joe

Answer 2

回答你的第一个问题，

那么为什么它不知道，通过 free() 接收到的指针是否已被释放？

因为，在 C 标准中，malloc() 的规范并没有要求这样做。当您调用 malloc() 或其相关函数时，它会返回一个指针，并在内部存储分配的内存位置的大小 在 该指针中。这就是为什么 free() 不需要大小来清理内存的原因。

此外，一旦使用 free() 进行释放，实际上分配的内存发生了什么仍然取决于实现。调用 free() 只是一个标记，指出分配的内存不再被进程使用，可以在需要时重新获取和重新分配。因此，在那个时候跟踪分配的指针是非常不必要的。这将对操作系统保留所有回溯记录是一个不必要的负担。

然而，为了调试目的，一些库实现可以帮你完成这项工作，比如DUMA或dmalloc，最后但并非最不重要的是来自Valgrind的memcheck工具。

从技术上讲，C标准没有指定在已经释放的指针上调用free()会发生什么行为。这是未定义的行为。

C11，第§7.22.3.3章，free()函数

[...] 如果参数与先前由内存管理函数返回的指针不匹配，或者如果空间已被free()或realloc()调用释放，则行为未定义。

- Sourav Ghosh

Answer 3

C标准只规定了在使用malloc及其相关函数返回的指针调用free两次会导致未定义行为，但并没有进一步解释原因。
然而，这里解释了为什么这样做是错误的：

重复释放同一块内存

要理解这种错误可能会引起什么问题，我们应该记住内存管理器通常的工作方式。通常情况下，它会在内存中的块之前存储已分配块的大小。如果我们释放了内存，那么这个内存块可能被另一个malloc()请求重新分配，因此这个重复释放实际上会释放错误的内存块 - 导致我们在应用程序的其他地方拥有悬空指针。这些错误往往比它们发生的代码位置晚得多。有时我们根本看不到它们，但它们仍然潜伏着，等待机会露出丑陋的头。

另一个可能发生的问题是，在将已释放的块与相邻的空闲块合并以形成较大的空闲块，然后重新分配较大的块之后，我们尝试第二次free()我们的块时，我们实际上只释放了应用程序当前使用的内存块的一部分。这将引起更多意外的问题。

- haccks

Answer 4

当你调用malloc时，你得到一个指针。运行库需要跟踪malloc的内存。通常malloc不会将内存管理结构与malloc的内存分开存储，而是在同一个地方。所以对于x字节的malloc实际上需要x+n字节，其中一种可能的布局是前n个字节包含链表结构，指向下一个（和前一个）已分配的内存块。

当你free一个指针时，函数free会遍历其内部内存管理结构，并检查传递给它的指针是否是已经malloc的有效指针。只有这样它才能访问内存块中隐藏的部分。但是这样做的检查将非常耗时，特别是如果你分配了很多内存。因此，free简单地假定你传递了一个有效指针。这意味着它直接访问内存块的隐藏部分，并假定那里的链表指针是有效的。

如果你两次free一个内存块，那么你可能会遇到这样的问题：有人进行了新的malloc，得到了你刚释放的内存，覆盖它，第二次free从其中读取无效的指针。

将已free的指针设置为NULL是一个好习惯，因为它有助于调试。如果你访问了已free的内存，你的程序可能会崩溃，但它也可能只是读取可疑的值，然后可能在稍后崩溃。那么找到根本原因可能很困难。如果你将已释放的指针设置为NULL，当你尝试访问该内存时，你的程序将立即崩溃。这在调试期间非常有帮助。

- Werner Henze