关于windows下堆内存的申请与释放

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我们都知道，C语言中要动态申请内存需要调用malloc函数，释放动态内存需要调用free函数。内存的申请与释放都是在堆（Heap）上进行的。当然，所谓的内存，都是虚拟内存。

C语言中的malloc和free，在windows中主要是通过HeapAlloc和HeapFree来实现的。

每个进程在初始化的时候，会调用RtlProcessHeap()函数构造进程的HEAP对象，这个对象用来管理进程的堆内存。

当我们使用malloc申请一段内存时，我们要指定大小，但是使用free释放的时候，只是指定要释放的内存起始地址即可。

如：

int * p = (int*)malloc(100 * sizeof(int)); // 申请100个int大小的一段内存

... // 其他操作

free(p); // 释放p所指向的内存

那么我们必定会产生疑问，系统是怎么知道或记录给定指针所指向的动态内存的大小的呢？

windows的实现方案很简单，就是在每一段动态内存的上部保存该段内存的大小等相关信息，这也就说明了，当我们使用堆内存时，会有额外的系统开销，windows中是通过如下一个结构体来保存相关信息的：

（WRK中的定义，在XP和win7下测试符合，win2000源码中的定义与此不同）

typedef struct _RTL_HEAP_ENTRY {
SIZE_T Size; // 指示该段内存的大小
USHORT Flags;
USHORT AllocatorBackTraceIndex;
union {
struct {
SIZE_T Settable;
ULONG Tag;
} s1;   // All other heap entries
struct {
SIZE_T CommittedSize;
PVOID FirstBlock;
} s2;   // RTL_SEGMENT
} u;
} RTL_HEAP_ENTRY, *PRTL_HEAP_ENTRY;

因为free释放内存的时候要依赖于该结构体中的信息，所以对于不是malloc返回的地址或已被释放过的地址，该结构的内容一般是不正确的，这也就是free会出错的原因。

如：

int * p = (int*)malloc(100 * sizeof(int)); // 申请100个int大小的一段内存

... // 其他操作

free(p); // 释放p所指向的内存

free(p); // 再次释放已释放的内存，会出错，因为RTL_HEAP_ENTRY已经不再有效。

所以当我们释放指针所指的动态内存后，我们最好将指针赋值为NULL，因为free一个值为NULL的地址，不会有任何错误。

再如：

int * p = (int*)malloc(100 * sizeof(int)); // 申请100个int大小的一段内存

... // 其他操作

//比如我们想释放部分内存

int * q = p + 20;

free(q); // 释放q所指向的内存，会出错，因为地址q所对应的RTL_HEAP_ENTRY结构体信息是无效的

所以free只能释放malloc返回的有效地址。

下面通过一个程序验证一下：

#include<stdio.h>
#include<windows.h>
typedef struct _RTL_HEAP_ENTRY {
SIZE_T Size;
USHORT Flags;
USHORT AllocatorBackTraceIndex;
union {
struct {
SIZE_T Settable;
ULONG Tag;
} s1;
struct {
SIZE_T CommittedSize;
PVOID FirstBlock;
} s2;
} u;
} RTL_HEAP_ENTRY, *PRTL_HEAP_ENTRY;
int main()
{
PRTL_HEAP_ENTRY pHeapEntry;
int *p;
for(int i = 0; i < 1000; i++)
{
p=(int*)malloc(i);
pHeapEntry=(PRTL_HEAP_ENTRY(p)-1);
printf("i: %d, size: %d\n", i, pHeapEntry->Size);
free(p);
}
return 0;
}

输出结果是：

i: 0, size: 0

i: 1, size: 1

i: 2, size: 2

...

i: 999, size: 999

总结：本文根据windows源码简单的分析了windows对C库函数free的实现中对内存大小信息的记录方法。