free() 函數(shù)只傳入一個(gè)內(nèi)存地址，為什么能知道要釋放多大的內(nèi)存？

嵌入式專欄

free() 函數(shù)只傳入一個(gè)內(nèi)存地址，為什么能知道要釋放多大的內(nèi)存？
free()函數(shù)，要求傳入的參數(shù)必須是malloc的返回值。在進(jìn)行malloc函數(shù)申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)實(shí)際會(huì)申請(qǐng)大于malloc要求的長(zhǎng)度。

malloc分配的內(nèi)存為一個(gè)個(gè)chunk，以下是一個(gè)典型的 malloc_chunk 結(jié)構(gòu)定義（以 glibc 為例）：

struct malloc_chunk {    size_t prev_size;  /* 前一個(gè)內(nèi)存塊的大�。ㄈ绻�合并的話） */    size_t size;       /* 當(dāng)前內(nèi)存塊的大小，包括邊界標(biāo)記 */    struct malloc_chunk *fd;  /* 指向前一個(gè)空閑內(nèi)存塊的指針（用于空閑內(nèi)存列表） */    struct malloc_chunk *bk;  /* 指向下一個(gè)空閑內(nèi)存塊的指針（用于空閑內(nèi)存列表） */};prev_size 字段表示前一個(gè)內(nèi)存塊的大�。ㄈ绻�當(dāng)前內(nèi)存塊與前面的內(nèi)存塊合并在一起）。size 字段表示當(dāng)前內(nèi)存塊的大小，包括邊界標(biāo)記。fd 和 bk 字段分別表示指向前后空閑內(nèi)存塊的指針，用于維護(hù)空閑內(nèi)存列表。

當(dāng)釋放一個(gè)內(nèi)存塊時(shí)，內(nèi)存分配器可以檢查 prev_size 字段以確定前一個(gè)內(nèi)存塊是否為空閑。如果前一個(gè)內(nèi)存塊為空閑，內(nèi)存分配器可以將這兩個(gè)相鄰的空閑內(nèi)存塊合并成一個(gè)更大的空閑內(nèi)存塊。這樣可以使內(nèi)存分配更加高效，減少內(nèi)存碎片

圖解chunk內(nèi)存塊：



malloc返回的指針不是指向了Header，而是指向了Payload開(kāi)始處。
所以空間的大小記錄在參數(shù)指針指向地址的前面，free的時(shí)候通過(guò)這個(gè)記錄即可知道要釋放的內(nèi)存有多大。



不同的內(nèi)存分配器實(shí)現(xiàn)不一樣，glibc的ptmalloc采用的是這種隱藏頭風(fēng)格，gemalloc采用其他的實(shí)現(xiàn)方式。

關(guān)于malloc還有幾個(gè)知識(shí)點(diǎn)：


malloc是系統(tǒng)調(diào)用嗎？

malloc是C語(yǔ)言庫(kù)函數(shù)不是系統(tǒng)函數(shù)調(diào)用。
malloc 申請(qǐng)內(nèi)存的時(shí)候，會(huì)有兩種方式向操作系統(tǒng)申請(qǐng)堆內(nèi)存。
方式一：通過(guò) brk() 系統(tǒng)調(diào)用從堆分配內(nèi)存
方式二：通過(guò) mmap() 系統(tǒng)調(diào)用在文件映射區(qū)域分配內(nèi)存；






malloc分配的是物理內(nèi)存嗎？
答案：不是物理內(nèi)存，是虛擬內(nèi)存。
現(xiàn)在的操作系統(tǒng)，內(nèi)存管理通常是基于虛擬內(nèi)存的，所以應(yīng)用程序看到的內(nèi)存地址（虛擬地址）與實(shí)際的物理內(nèi)存地址（物理地址）是不同的。操作系統(tǒng)通過(guò)內(nèi)存管理單元（MMU）來(lái)將虛擬地址轉(zhuǎn)換為物理地址。

當(dāng)應(yīng)用程序首次訪問(wèn)這塊內(nèi)存時(shí)，操作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的物理內(nèi)存尚未分配，它會(huì)從可用的物理內(nèi)存中分配相應(yīng)的空間，并更新頁(yè)表項(xiàng)以完成虛擬地址到物理地址的映射。

如果這塊內(nèi)存從來(lái)沒(méi)有被訪問(wèn)，那么就不會(huì)分配實(shí)際的物理內(nèi)存，節(jié)約了內(nèi)存。

調(diào)用free后，內(nèi)存會(huì)被操作系統(tǒng)立馬回收嗎？
答案：不會(huì)。
當(dāng)程序員使用free函數(shù)釋放內(nèi)存后，?這塊內(nèi)存并不會(huì)立即被歸還給操作系統(tǒng)。?相反，?這些被釋放的內(nèi)存首先會(huì)被內(nèi)存管理器（?如ptmalloc）?保存起來(lái)，?以便后續(xù)重用。?這樣做的主要目的是減少與操作系統(tǒng)的內(nèi)存交互次數(shù)，?從而降低系統(tǒng)調(diào)用的開(kāi)銷。
?
內(nèi)存管理器會(huì)使用雙鏈表等方式來(lái)管理這些被釋放的內(nèi)存塊，?當(dāng)程序再次申請(qǐng)內(nèi)存時(shí)，?內(nèi)存管理器會(huì)首先嘗試從這些已釋放的內(nèi)存塊中找到合適的塊返回給程序，?而不是直接向操作系統(tǒng)請(qǐng)求新的內(nèi)存。?這種機(jī)制有助于減少內(nèi)存碎片和提高內(nèi)存使用效率。
end

一口Linux

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