在分配的内存上，是否有时可以不使用free()？

Question

在分配的内存上，是否有时可以不使用free()？

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我正在学习计算机工程，学了一些电子课程。我从两位教授（这些课程的教授）那里听说过，可以避免使用free()函数（在使用malloc()、calloc()等之后），因为分配的内存空间可能不会再被用来分配其他内存。也就是说，例如，如果您分配了4个字节，然后释放了它们，您将有一个不太可能再次分配的4个字节的空间：您将拥有一个“空洞”。

我认为这很疯狂：你不能有一个真正的程序，在堆上分配内存而不释放它。但是我没有足够的知识来解释为什么对于每个malloc()都必须有一个free()是如此重要。

那么，是否有情况可以在不使用free()的情况下使用malloc()？如果没有，我该如何向我的教授解释？

答：一般情况下，每个malloc()都必须有一个相应的free()来释放已分配的内存，否则会导致内存泄漏。在某些情况下，比如在进程结束时，操作系统会自动回收堆上的内存，但这并不是一个可靠的做法。因此，为了确保程序的正确性和健壮性，在堆上分配内存后必须使用free()释放它们。

- Nick

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他们并不是“错误的”——他们对于非常小的孤立自由地区的分割有一个有效的（尽管有限）观点，并且可能比你所报告的要更加仔细地陈述了这一观点。 - Chris Stratton

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@Marian ：我曾经有一位教授声称，在 C 和 C++ 中，需要在与分配内存相同的 .c/.cxx 文件中定义的函数中释放已分配的内存……这些人有时似乎严重患有缺氧症，因为他们生活在象牙塔中太高了。 - PlasmaHH

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有相当数量的非玩具程序不会释放内存，在进程退出时让操作系统清理所有内存比（繁琐地）保留大量簿记以便自行处理要快得多。 - Donal Fellows

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正如@mfro所指出的那样，free()不会将内存返回给操作系统，但仍会标记为malloc()重用。这将推迟对mmap()/sbrk()的未来调用，并节省系统内存。一旦整个页面未使用，它们将被分页。然而，长期运行的进程应该解决这个问题并实际将内存返回给操作系统（使用mmap()比brk()更容易，但重新启动进程要容易得多）。这就是开发和运营需要理解其影响的地方。 - Henk Langeveld

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不要毫无怀疑地接受你听到的内容。我曾经遇到很多老师、演讲者和校正者是错误或过时的。一定要非常精确地分析他们所说的话。我们的民族通常非常精确，可能会说正确的话，但某些人如果只擅长于日常用语，很容易理解错误或以错误的优先级理解。例如，我记得在学校有一位老师问：“你做作业了吗？”我回答：“没有。”虽然我是正确的，但是老师觉得这样回答很冒犯，因为我省去了找借口的时间，这是他意料之外的。 - Sebastian Mach

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11个回答

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- david.pfx · Answer 1

你的教授提出了一个重要观点。不幸的是，英语用法使我不能完全确定他们说的是什么。让我从非玩具程序的角度回答这个问题，这些程序具有特定的内存使用特征，并且我已经亲自使用过。

一些程序表现得很好。它们以波浪形式分配内存：大量小型或中型分配，然后是大量释放，反复循环。在这些程序中，典型的内存分配器表现得相当好。它们合并释放的块，在波浪结束时，大部分空闲内存都在大的连续块中。这些程序非常罕见。

大多数程序表现得很差。它们随机地分配和释放内存，大小各异，从非常小到非常大，并保留高比例的分配块。在这些程序中，合并块的能力是有限的，随着时间的推移，它们最终会出现高度碎片化和相对不连续的内存。如果32位内存空间中的总内存使用量超过1.5GB，并且有10MB或更大的分配，则最终会失败其中一个大的分配。这些程序很常见。

其他程序在运行时很少或不占用内存，直到它们停止。它们在运行时逐渐分配内存，仅释放少量内存，然后停止，此时所有内存都被释放。编译器就是这样的。虚拟机也是如此。例如，.NET CLR运行时本身是用C++编写的，可能从不释放任何内存。为什么要这样做呢？

这就是最终答案。在那些内存使用量足够大的情况下，使用malloc和free来管理内存并不能解决问题。除非你足够幸运地处理一个表现良好的程序，否则你需要设计一个或多个自定义内存分配器，预先分配大块内存，然后根据你选择的策略进行子分配。你可能根本不使用free，除非程序停止。

如果不知道你的教授们具体说了什么，在真正的生产规模程序中，我可能会站在他们的立场上。

编辑

我会试着回答一些批评。显然，Stack Overflow不是这种帖子的好地方。只是为了明确：我有约30年的编写此类软件的经验，包括几个编译器。我没有学术参考资料，只有自己的经验。我无法帮助感觉批评来自经验远远不及我的人。

我会重复我的关键信息：在实际程序中，平衡 malloc 和 free 并不足以解决大规模内存分配的问题。块合并是常见的，可以节省时间，但这还不够。你需要严肃、聪明的内存分配器，它们倾向于使用 malloc 或其他方式以块为单位获取内存，并很少释放。这可能是 OP 的教授们想要传达的信息，而他误解了。