free函数在操作系统内存中的实现

我一次性malloc十个单位节点的内存空间出来赋值给L， 现在我想一次性删除从第3个到第6个节点，我是这么做的：

1.将第六个节点的next指针指向NULL

2.将L指针指向第三个单位空间的地址，再free(L)。

等到把代码写完之后，才发现其中的问题：这里我的free(L)用的对吗？

编译运行了一下才发现了问题所在。

为了清楚地看到这个错误，将这个问题简化出来，请看下面的代码：

[cpp]

#include <stdio.h>

#include <malloc.h>

int main()

{

char *p = (char*)malloc(sizeof(char) * 10);

char *q = p;

int i = 0;

for (; i < 10; i++)

printf("%08X\n", q + i);

q = q + 2;

free(q);

return 0;

}

编译执行之后结果如下：

0863E008

0863E009

0863E00A

0863E00B

0863E00C

0863E00D

0863E00E

0863E00F

0863E010

0863E011

*** glibc detected *** ./free: free(): invalid pointer: 0x0863e00a ***

======= Backtrace: =========

/lib/libc.so.6[0x4481d9f2]

./free[0x8048487]

/lib/libc.so.6(__libc_start_main+0xf3)[0x447be6b3]

./free[0x8048391]

======= Memory map: ========

......

已放弃(吐核)

在linux下面可以看到free这句代码是不能被运行的。

那么为什么执行会出错呢？

这里首先要谈谈malloc和free这两个函数的用法了。

首先我们要知道的一个原则就是：malloc 和free是成对使用的。

你可能会奇怪为什么malloc指定了内存分配的长度，而free的时候没有指定释放的内存长度。

因为是成对使用的，所以满足下面两个原则：

1.我们free的指针必须是malloc出来返回给你的指针。

2. 所以，free的长度是你malloc要求分配的长度。

看到这里可能有人会问：你是怎么得出这两个结论的呢？

好吧，现在我们就来深究一下，free函数在操作系统内存中究竟是怎么实现的。

但是毕竟自己实力有限，还是菜鸟一枚，如果让我阅读free 和malloc 的源代码，肯定是不现实的，貌似有1500多行。。。。

自己摘除了一点基本信息：

malloc/free 是操作系统提供的接口

不同的系统可能使用不同的库

接口形式相同，但是实现方式可能不同

这主要取决于操作系统内存管理模式

VC使用的CRT，而GCC使用的是libc

里面有两段比较经典的话。虽然正确性还有待考证。摘录如下：

1.

内核通过一个红黑树来记录了空闲的内存，malloc就是从树中查找一块大小适合的内存并把地址给你，然后把这个节点从树中摘除，避免被别人分配到产生冲突。这个内存现在归你一个人用了。

free函数是把你的这个内存重新放回到红黑树中，让别人可以申请到这个内存。从逻辑上来说，你现在不能在使用这个内存了，因为它已经不属于你。但是系统的实现上目前没有做到，所以你还是能访问这个地址。

另外，系统也不会帮你覆盖内存中的数据，因为做这一个操作浪费时间，没有必要。

打一个简单的比方。你租了一套房子，后来租期到了，房子回到房东手里，或者又转租给别人。但是你拿着原来的钥匙还是能进入那套房子，虽然这个是不合法的。

2.

应该确切讲是不变的。内存管理多数是通过一个MBC链表实现的，及你实际分配的内存空间为：(nSize + 3) / 4 * 4 + sizeof(MBC）的大小，在malloc之后，系统程序实际返回的是分配的MBC地址+sizeof(MBC），释放内存时，free所做的第一个动作是ptr - sizeof(MBC)得到实际的MBC块，在这个MBC块中包含了该内存的大小，内存MBC链的指针等信息；所以，如果你使用了超出实际分配内存大小的空间，会造成整个MBC链的混乱，最直接表现是程序在free时在另一个不相关的地方出现了异常；所以您可以看出来，在执行了free之后，该块内存并没有改变，即使该块内存相邻内存为空，而发生了内存块的合并，您刚才使用的内存空间也没有发生改变（你看到的），改变的是MBC链表；

详细的内存管理程序您可以参考一些库，如dlmalloc，这个库除了使用了MBC链外，还是用了沙箱机制；事实上早期DOS的内存管理程序也是使用的MBC链；

3.

1）我注意到之上的回复多数是基于系统端的，（如红黑树，我在Understand
Linux kernal中还真没有听说过红黑树，最后居然在国内网站找到了 ---- 不知道是不是只是国内学术名词，是内核的内存管理）；系统内存分配涉及属性、内存页面以及是否有MCU；但是注意一点malloc和free并不是直接使用系统内存管理程序，在多数Linux程序中malloc和free一般是通过标准库，及我说过的DL内存管理程序实现的；因此，内核的内存管理和我们在应用层面的内存管理（如malloc/free）不要混为一谈；

2）DL的内存管理从效能上要比直接使用系统的内存管理效能要高，如经过我们实测：在随机大小、随机顺序申请释放 ---- 目的在制造最差情况，DL内存管理程序是直接使用系统的3~3.9倍，考虑使用realloc，DL内存管理程序是系统的10~43.35倍；所以，实际情况下，我们并不是直接使用系统内存管理 ---- 只是我们并不知道。