深入探究C中的malloc（）和free（）函數(shù)

摘 要：C中的malloc（）函數(shù)和free（）函數(shù)是一對可以動態(tài)分配內(nèi)存與釋放內(nèi)存的函數(shù)，本文將從語法基礎(chǔ)、應(yīng)用場合、實現(xiàn)原理等方面對這兩個函數(shù)進行細致深入地闡述。

關(guān)鍵詞：C；malloc（）函數(shù)；free（）函數(shù)

中圖分類號：TP312.1

1 malloc（）和free（）的語法基礎(chǔ)

C語言中可以用malloc（）函數(shù)在內(nèi)存中動態(tài)分配一塊連續(xù)空間，分配空間大小由指定參數(shù)決定。其函數(shù)原型為：

void *malloc（unsigned int size）；

返回值是所分配區(qū)域的首地址。如果內(nèi)存分配失?。ɡ鐑?nèi)存空間不足）則返回空指針NULL。如：

int *p = malloc（50）； //開辟50字節(jié)的內(nèi)存空間，將空間首地址賦給指針變量p

malloc（）的返回值類型為void*，很多人喜歡像下面這樣將返回值進行強制類型轉(zhuǎn)換：

int *p = （int*） malloc（50）；

其實沒有必要，void*類型的指針是可以不經(jīng)強制轉(zhuǎn)換，賦給所有類型指針變量的。

如果不再需要malloc（）分配的內(nèi)存空間，可以通過free（）來釋放內(nèi)存。如：

free（p）； //釋放 p 所指向的內(nèi)存區(qū)域

2 malloc（）的應(yīng)用場合

malloc（）經(jīng)常被用于分配執(zhí)行前還不確定大小的數(shù)組的內(nèi)存區(qū)域、動態(tài)分配結(jié)構(gòu)體的內(nèi)存區(qū)域等。

如在不確定書名長短時，為了避免聲明的數(shù)組長度過長造成空間浪費，可以用下列方式，在確定了書名長度后，給它分配必要的內(nèi)存區(qū)域。

char *title；

title = malloc（sizeof（char）*len）； //len為書名的實際長度

再如，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，在構(gòu)建鏈表時，要用malloc（）為鏈表中的每一個結(jié)點動態(tài)分配空間。

3 malloc（）和free（）的實現(xiàn)原理

malloc（）是在內(nèi)存中稱為“堆”的空間中進行分配的，堆的特點就是可以動態(tài)地、在運行時進行內(nèi)存分配，并且可以通過任意的順序釋放內(nèi)存。

malloc（）在工作時，并不是只是獲取參數(shù)指定大小的空間，而是先一次性地獲得比較大的內(nèi)存，然后將這些內(nèi)存“零售”給應(yīng)用程序。這塊大面積的內(nèi)存空間又會被劃分成大小不一的“塊”，每個塊之前會加上一個管理區(qū)域，通過管理區(qū)域構(gòu)建一個鏈表.

通過遍歷鏈表尋找空閑的塊，如果發(fā)現(xiàn)大小合適的塊，就分割出來，將其標記為“使用中的塊”，并將除管理區(qū)域外的空間首地址返回給應(yīng)用程序。如果不存在合適的空塊，malloc（）就會請求操作系統(tǒng)對空間進行擴容。free（）將指定位置的管理區(qū)域的標記改寫成“空塊”，如果其上下剛好也是空快，free（）就會將這些塊合并成一個整塊，這樣可以防止塊的碎片化。

在這種內(nèi)存運行環(huán)境下，一旦數(shù)組產(chǎn)生越界，在malloc（）分配的空間之外寫入了數(shù)據(jù)，就會破壞下一個塊的管理區(qū)域，在以后的 malloc（）和 free（）調(diào)用中，出現(xiàn)程序崩潰的可能性會非常大。

當然，以上只是malloc（）功能最單純的一種實現(xiàn)方式，現(xiàn)實環(huán)境中，是不會這樣的。比如，除了這里介紹的鏈表實現(xiàn)方式之外，“buddy system” 也是一個被大家廣泛熟知的內(nèi)存管理方法。這種方式將大的內(nèi)存逐步分成兩個大小相等的小塊，速度很快，但缺點是會造成內(nèi)存使用效率的降低。

此外，讓管理區(qū)域和實際可用區(qū)域相鄰也是比較危險的，所以有的實現(xiàn)中會將它們分開存放。

4 free（）探秘

如前所述，malloc（）在工作時會一次性地獲得比較大的內(nèi)存，然后將這些內(nèi)存“零售”給應(yīng)用程序。因此，一般來說調(diào)用 free（）之后，對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域也是不會立即返還給操作系統(tǒng)的?？梢酝ㄟ^以下程序來做個實驗。

#include

#include

int main（void）

{

int * p；

p = malloc（sizeof（int））；

*p = 123456；

free（p）；

printf（\"%d＼n\"， *p）；

return 0；

}

在某些環(huán)境（如UNIX系統(tǒng)）下執(zhí)行這個程序，依然會輸出123456。之后隨著某次malloc（）調(diào)用，恰好將這片區(qū)域重新進行分配后，這部分內(nèi)容才會被改寫。因此，調(diào)用 free（）之后，是不能立即引用其釋放的內(nèi)存區(qū)域的。

這樣的特性往往會給程序帶來難以查明的bug。比如有兩個指針正同時引用某內(nèi)存區(qū)域。使用指針1的程序員已經(jīng)不需要這片空間了，于是調(diào)用了free（）函數(shù)。實際上，在程序的另一處，指針2還在引用當前這塊空間，這塊空間并沒有立即被破壞，在空間內(nèi)還保持著以前的值。直到在程序的某處又執(zhí)行了malloc（），這塊內(nèi)存空間被重新分配，其中的內(nèi)容才可能被破壞。這樣的程序漏洞比較隱蔽，從產(chǎn)生到被發(fā)現(xiàn)之間，可能會經(jīng)歷比較長的時間，因此會給程序調(diào)式、糾錯帶來很大困難。

這種情況在大型程序中常常會碰到，為了避免這個問題，可把free（）放在另一個自定義的函數(shù)里，并且使程序員只能調(diào)用這個自定義的函數(shù)。在該函數(shù)中，可以在釋放空間之前故意將它破壞。如果想要知道當前指針指向的區(qū)域的大小，還可以考慮將 malloc（）也寫在自定義函數(shù)中，每次分配內(nèi)存的時候可以多留出一點空間，將區(qū)域的大小信息寫在最前面的部分。

5 結(jié)束語

本文詳細闡述了malloc（）函數(shù)和free（）函數(shù)在語法基礎(chǔ)、應(yīng)用場合、實現(xiàn)原理等方面的知識。深入了解這兩個函數(shù)，可以幫助我們更好地了解系統(tǒng)內(nèi)存的使用情況，并能減少編程中可能由此引起的隱蔽的錯誤。

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作者簡介：陸金江（1982-），女，江蘇宿遷人，專職教師，講師，工學學士，研究方向：軟件技術(shù)。

作者單位：安徽財貿(mào)職業(yè)學院，合肥 230601