动态内存分配是如何工作的

Question

在C/C++中，当您想要动态分配内存时，通常会调用malloc void* malloc(size_t size); 以返回一个指向大小为size字节的内存块的指针。使用完这个内存块后，您需要调用free()将内存释放回堆。

这很好，但是如果您调用realloc void* realloc(void* ptr, size_t size); 来更改ptr指向的内存块的大小，那么您仍然需要在使用内存后调用free()，但我的问题是编译器如何知道要释放多少内存？

直觉上，我可以想出一个答案，但我对实现细节感兴趣-它是如何真正实现的？它是否与编译器相关？它是标准的一部分吗？

谢谢！

- Pandrei

---

在 C 语言中，你会使用 malloc 函数，但在 C++ 中则不需要。 - David Rodríguez - dribeas

我看到它在C/C++中都被使用了; 不管是不是正确的，这是另一回事。 - Pandrei

简短回答：这要看情况。有许多malloc/free算法，其中一些针对不同的使用模式进行了优化。此外，编译器并不知道这些例程，它们是由库实现的。 - SirDarius

另一个问题中没有出现的答案是，内存管理是动态的，而不是在编译时确定的。malloc和free（以及realloc、calloc等）是库函数，它们有自己的数据结构，并动态跟踪内存分配。实际上并没有标准（尽管有一些常用算法），因为库可以选择按照自己的方式实现内存管理。 - Michael

Answer 1

为了释放内存，通常不需要说明要释放多少内存。分配器已经知道它给了你多少内存，并记住了这个。分配的内存地址作为分配器内部簿记数据结构的一种“键”。因此，你只需要提供要释放的内存的地址，分配器就知道你在谈论哪个内存。

需要明确的是：没有“部分释放”某些内存的情况。你不能指向一些已分配的内存的中间部分并说“在这里释放100字节”。你只能释放你获得的精确数量的内存，不多也不少。

最后，realloc只是malloc和memcpy的组合，如果你愿意，也许有一个小的优化机会，允许现有的分配“增长”而不移动数据。但是思路是相同的。

- Kerrek SB

---

操作系统进行账目管理。书籍《深入理解Linux内核》详细介绍了Linux如何进行这项工作（尽管该书现在已经有些过时）。 - Will

@Will：操作系统通常进行更粗略的簿记。分配器库将希望从操作系统中获取大块内存，并自行处理细粒度用户分配。 - Kerrek SB

在这个上下文中，值得一提的是什么是大的和小的？也就是说，如果你释放一个字节，那么它将由分配器处理。如果你释放100k，则操作系统将处理它。 - Will

@Will：我认为现代分配器从不向操作系统释放内存。 - Kerrek SB

@Will：glibc malloc在进行大型分配（超过可调整的阈值，如64k）时使用mmap，因此它肯定可以在free时将它们交还给内核。如果程序需要大量内存，但随后释放了大部分内存并长时间运行，则避免保留可能大量脏匿名页面的使用。让它们被交换到磁盘上会使最终重用它们变得更慢（硬页错误），而不是稍后再次请求内核页面（通常是由于惰性分配引起的软页错误）。 - Peter Cordes