malloc和free详解

malloc的实质

　　malloc函数的实质体现在，它有一个将可用的内存块连接为一个长长的列表的所谓空闲链表。调用malloc函数时，它沿连接表寻找一个大到足以满足用户请求所需要的内存块。然后，将该内存块一分为二（一块的大小与用户请求的大小相等，另一块的大小就是剩下的字节）。接下来，将分配给用户的那块内存传给用户，并将剩下的那块（如果有的话）返回到连接表上。调用free函数时，它将用户释放的内存块连接到空闲链上。到最后，空闲链会被切成很多的小内存片段，如果这时用户申请一个大的内存片段，那么空闲链上可能没有可以满足用户要求的片段了。于是，malloc函数请求延时，并开始在空闲链上翻箱倒柜地检查各内存片段，对它们进行整理，将相邻的小空闲块合并成较大的内存块。如果无法获得符合要求的内存块，malloc函数会返回NULL指针，因此在调用malloc动态申请内存块时，一定要进行返回值的判断。

malloc()到底从哪里得来了内存空间

　　１、malloc()到底从哪里得到了内存空间？答案是从堆里面获得空间。也就是说函数返回的指针是指向堆里面的一块内存。操作系统中有一个记录空闲内存地址的链表。当操作系统收到程序的申请时，就会遍历该链表，然后就寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后就将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点的空间分配给程序。就是这样！　　说到这里，不得不另外插入一个小话题。什么是堆？说到堆，又忍不住说到了栈！什么是栈？下面就另外开个小部分专门而又简单地说一下这个题外话。
　　2、什么是堆：堆是大家共有的空间，分全局堆和局部堆。全局堆就是所有没有分配的空间，局部堆就是用户分配的空间。堆在操作系统对进程初始化的时候分配，运行过程中也可以向系统要额外的堆，但是记得用完了要还给操作系统，要不然就是内存泄漏。　　什么是栈：栈是线程独有的，保存其运行状态和局部自动变量的。栈在线程开始的时候初始化，每个线程的栈互相独立。每个函数都有自己的栈，栈被用来在函数之间传递参数。操作系统在切换线程的时候会自动的切换栈，就是切换SS/ESP寄存器。栈空间不需要在高级语言里面显式的分配和释放。
　　通过上面对概念的描述，可以知道：栈是由编译器自动分配释放，存放函数的参数值、局部变量的值等。操作方式类似于数据结构中的栈。堆一般由程序员分配释放，若不释放，程序结束时可能由OS回收。注意这里说是可能，并非一定。所以再强调一次，记得要释放！注意它与数据结构中的堆是两回事，分配方式倒是类似于链表。
　　举个例子，如果你在函数上面定义了一个指针变量，然后在这个函数里申请了一块内存让指针指向它。实际上，这个指针的地址是在栈上，但是它所指向的内容却是在堆上面的！这一点要注意！所以，再想想，在一个函数里申请了空间后，比如说下面这个函数：

void Function(void) 
{ 
	char *p = (char *)malloc(100 * sizeof(char)); 
}

　　就这个例子，千万不要认为函数返回，函数所在的栈被销毁指针也跟着销毁，申请的内存也就一样跟着销毁了！这绝对是错误的！因为申请的内存在堆上，而函数所在的栈被销毁跟堆完全没有啥关系。所以，还是那句话：记得释放！

free()到底释放了什么

　　free()释放的是指针指向的内存！注意！释放的是内存，不是指针！这点非常非常重要！指针是一个变量，只有程序结束时才被销毁。释放了内存空间后，原来指向这块空间的指针还是存在！只不过现在指针指向的内容的垃圾，是未定义的，所以说是垃圾。因此，前面我已经说过了，释放内存后把指针指向NULL，防止指针在后面不小心又被解引用了。这一点非常重要！

malloc()以及free()的机制

　　事实上，仔细看一下free()的函数原型，也许也会发现似乎很神奇，free()函数非常简单，只有一个参数，只要把指向申请空间的指针传递给free()中的参数就可以完成释放工作！这里要追踪到malloc()的申请问题了。申请的时候实际上占用的内存要比申请的大。因为超出的空间是用来记录对这块内存的管理信息。先看一下在《UNIX环境高级编程》中第七章的一段话：　　大多数实现所分配的存储空间比所要求的要稍大一些，额外的空间用来记录管理信息——分配块的长度，指向下一个分配块的指针等等。这就意味着如果写过一个已分配区的尾端，则会改写后一块的管理信息。这种类型的错误是灾难性的，但是因为这种错误不会很快就暴露出来，所以也就很难发现。将指向分配块的指针向后移动也可能会改写本块的管理信息。　　以上这段话已经给了我们一些信息了。malloc()申请的空间实际就是分了两个不同性质的空间。一个就是用来记录管理信息的空间，另外一个就是可用空间了。而用来记录管理信息的实际上是一个结构体。在C语言中，用结构体来记录同一个对象的不同信息是天经地义的事！下面看看这个结构体的原型：

struct mem_control_block 
{ 
    int is_available;    //这是一个标记？ 
    int size;            //这是实际空间的大小 
};

　　对于size,这个是实际空间大小。而is_available是否是一个标记？free()就是根据这个结构体的信息来释放malloc()申请的空间！而结构体的两个成员的大小我想应该是操作系统的事了。但是这里有一个问题，malloc()申请空间后返回一个指针应该是指向第二种空间，也就是可用空间！不然，如果指向管理信息空间的话，写入的内容和结构体的类型有可能不一致，或者会把管理信息屏蔽掉，那就没法释放内存空间了，所以会发生错误！接下来分析free()的源码：

void free(void *ptr)      
{
	struct mem_control_block *free;             
	free = ptr - sizeof(struct mem_control_block);             
	free->is_available = 1;             
	return;     
}

　　看一下函数第二句，这句非常重要和关键。其实这句就是把指向可用空间的指针倒回去，让它指向管理信息的那块空间，因为这里是在值上减去了一个结构体的大小！后面那一句free->is_available = 1;这里is_available应该只是一个标记而已！因为从这个变量的名称上来看，is_available翻译过来就是“是可以用”。这个变量的值是1，表明是可以用的空间！如果把它改为0或者是其他值不知道会发生什么事？！但是有一点可以肯定，就是释放绝对不会那么顺利进行！因为这是一个标记！
　　当然，这里可能还是有人会有疑问，为什么这样就可以释放呢？就free()这个源代码来看，什么也没有释放。但是它确实是确定了管理信息的那块内存的内容。所以，free()只是记录了一些信息，然后告诉操作系统那块内存可以去释放，然后由操作系统来释放那段内存。之前一个错误的认识，就是认为指向那块内存的指针不管移到那块内存中的哪个位置都可以释放那块内存！但是，这是大错特错！释放是不可以释放一部分的！首先这点应该要明白。而且，从free()的源代码看，ptr只能指向可用空间的首地址，不然，减去结构体大小之后一定不是指向管理信息空间的首地址。所以，要确保指针指向可用空间的首地址！如若验证，可以写一个程序然后移动指向可用空间的指针，看程序会不会崩溃！