如何在C中释放特定大小的内存分配

Question

我使用malloc分配了100字节的内存。然而最终只用了其中的40字节。有两种情况：

1. 使用的40字节在前面，剩下的60字节没有使用。
2. 使用的40字节在后面，剩下的60字节没有使用。

我始终拥有一个指向未使用内存的指针和未使用内存的大小信息。由于free函数会认为要释放全部100字节的内存，因此不能使用它来释放60字节的内存。问题是，如何在这两种情况下释放60字节的内存？

- kuljot

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使用realloc函数来处理场景1。 - Christopher Moore

在第二种情况（“60/40”）中，更容易的方法是简单地使用malloc()分配一个新块，将40个字节复制过去，然后释放原始的100个字节块... “幕后”（正如内存管理器所说），这甚至可能是realloc()在情况＃1中选择执行的操作。 - Fe2O3

你只能在 malloc() 返回的原始地址上调用 free()。你不能调用 free() 传递原始块中第一个之后的某个地址。 - David C. Rankin

Answer 1

函数realloc允许您缩小已分配内存的大小。

然而，在您的问题示例中，如果您使用realloc将数组从100字节缩小到40字节，则会保留前40字节的数据并丢失后60字节的数据。因此，这只适用于您问题的情况＃1。

如果您还希望它在情况＃2中起作用，则必须首先将内存缓冲区后面的40个字节复制到内存缓冲区的前面，例如使用memcpy。

然而，一些操作系统确实提供了一种释放连续内存区域后面部分的方法，而不是前面部分。例如，在Linux上是mmap/mremap，在Microsoft Windows上是VirtualFree。但这样的函数通常只能处理单个内存页面，它们通常至少有4096字节大小，因此这些功能只在处理更大量的内存时才有用。它们在你问题的示例中并没有用处，因为该示例仅涉及100字节。

ISO C标准库本身不提供上述段落中提到的功能。因此，如果您希望代码保持可移植性，则只能使用realloc。

- Andreas Wenzel

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realloc 并不保证能够重用块中多余的内存。许多实现在将 100 字节的块重新分配为 40 字节时可能什么也不做（尽管如果您将 100 兆字节的块重新分配为 40 兆字节，则可能会执行某些操作）。 - rici

通过使用gcc x86_64进行检查，循环100次分配1-100字节并检查ptrdiff_t与先前的分配情况，似乎gcc的最小分配为32字节，并且以16字节增量递增，可能在1K左右的mmap块内。您可以进一步调查stracing或转储到汇编。 - David C. Rankin

@kuljot 请检查你的编译器，在x86_64架构上内存会对齐到16个字节，因此选择16的倍数可能会更好地利用尽可能多的内存空间。 - David C. Rankin

@picchiolu：一些内存管理器实施措施以减少堆碎片问题，例如通过从与小内存分配不同的堆中提供大内存分配。因此，堆碎片可能是一个问题，也可能不是一个问题，这取决于具体情况。 - Andreas Wenzel

@picchiolu - 当然 gcc x86_64 最小分配大小 过期时间：2023年1月20日，中国标准时间上午12:29:25。 - David C. Rankin

Answer 2

realloc 可以用来减少（或增加）之前由 malloc、calloc 或 realloc 返回的内存分配的大小。

但是，在这样做时，该内存的先前指针值将无效。

realloc 相对于其开头调整分配的大小，因此，如果数据位于分配的末尾，则必须将该数据向前移动。

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

#define TOTAL 100
#define USED 40
#define UNUSED 60

int main(void)
{
    int *front_used = calloc(TOTAL, sizeof *front_used);
    memset(front_used, 0, USED * sizeof *front_used);

    int *ftemp = realloc(front_used, USED * sizeof *front_used);
    /* ftemp should be checked for NULL */
    front_used = ftemp;

    int *back_used = calloc(TOTAL, sizeof *back_used);
    memset(back_used + UNUSED, 0, USED * sizeof *back_used);
    /* must move data to start of buffer */
    memmove(back_used, back_used + UNUSED, USED * sizeof *back_used);

    int *btemp = realloc(back_used, USED * sizeof *back_used);
    /* btemp should be checked for NULL */
    back_used = btemp;
}

- Oka

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这似乎是一种内存碎片化的解决方案，我宁愿不去移动小块内存。 - picchiolu

Answer 3

TLDR：您不应该释放部分内存块。而且，这些小的优化可能会对程序产生负面影响，因此您不必担心。

虽然这种想法在初学者中很常见，他们试图尽可能精确地使用内存，但实际上这样做并不是一个好主意。这是因为内存管理器在内部工作时的方式。

为了让您有一些想法，让我试着用一个相对较小的上下文来解释一下。那么，您认为内存管理器如何知道从给定指针开始需要释放多少块内存？

最常见的实现方式，也是我所知道的实现方式，是内存管理器在指针指向的内存之前的字节中存储一块元数据块。元数据包括帮助内存管理器正确执行其工作的信息——存储与其关联的下一个内存块的大小，存储下一个可用的空闲内存块的位置等。

假设您以以下方式分配了100个字节的内存：

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

“而且正如您在问题中提到的那样，您使用了一些从这些100个分配的插槽中的内存（比如40）。

现在，如果您尝试释放从第41个索引开始的内存，就像以下的示例：”

free(characterPointer+40);

内存管理器将向左移动一个字节，并尝试将存在的位模式解析为给定指针的元数据。现在你觉得会发生什么？嗯，答案是我自己也不知道，可能取决于情况。但可以肯定的一件事是它会导致一些不希望发生的行为。

它可能释放了比你想要的更多或更少的内存，无论如何，都会破坏内存。通常最好不要关注这样小的内存块。

内存管理器是用来做类似的事情的。例如，有时候当你请求100个字节的内存时，内存管理器可能会返回一个大于100个字节的内存块，这完全没问题，因为它满足了你的内存需求。这些决策是在后台进行的，以提高管理器的速度，每个内存管理器实现都有所不同。

- Daksh

Answer 4

你不能部分释放之前由malloc分配的内存块。最接近的选项是使用realloc来调整之前由malloc分配的内存块的大小。

此外，请注意，释放的内存块不会立即变为操作系统可用。它们被列为空闲块，并且首先可以通过malloc访问以供将来分配。

最后，分配和释放小块内存可能会导致内存碎片化，这可能比您试图解决的问题更糟糕。

- picchiolu