free() 是如何释放不同内存区块大小的指针？

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free() 是如何释放不同内存区块大小的指针？

2024-07-29 20:40:48 214人阅读

最初是在知乎上看到这个问题的C++ delete[] 是如何知道数组大小的？，我也挺好奇，所以就作了一番工作。

申请内存时，指针所指向区块的大小这一信息，其实就记录在该指针的周围
看下面这段代码：

 1 #include<cstdio> 2 #include<iostream> 3 #include<malloc.h> 4 #include<assert.h> 5 #include<ctime> 6 using namespace std; 7  8 #define size 16 9 10 int main(void)11 {12     void * p = NULL;13     srand(time(0));14     int a = 10;15     while (a--)16     {17         int n = rand() % 10000;18         p = malloc(n);19         size_t w = *((size_t*)((char*)p - size));20         cout << "w=" << w << endl;21         cout << "n=" << n << endl;22         assert(w == n);23         free(p);24     }25     return 0;26 }

（注：如果是X86的CPU，请将 size 改为 8）

你会发现 w 和 n 始终是一致的，，这样其实不是巧合，来看 M$ 编译器 \ vc \include\ 目录下 malloc.h这一头文件中 184 到 209 行的代码：

 1 //这儿是根据不同的硬件平台的宏定义 2 #if defined (_M_IX86) 3 #define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE   8 4 #elif defined (_M_X64) 5 #define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE   16 6 #elif defined (_M_ARM) 7 #define _ALLOCA_S_MARKER_SIZE   8 8 #elif !defined (RC_INVOKED) 9 #error Unsupported target platform.10 #endif  /* !defined (RC_INVOKED) */11 12 _STATIC_ASSERT(sizeof(unsigned int) <= _ALLOCA_S_MARKER_SIZE);13 14 #if !defined (__midl) && !defined (RC_INVOKED)15 #pragma warning(push)16 #pragma warning(disable:6540)17 __inline void *_MarkAllocaS(_Out_opt_ __crt_typefix(unsigned int*) void *_Ptr, unsigned int _Marker)18 {19     if (_Ptr)20     {21         *((unsigned int*)_Ptr) = _Marker;22  //23         _Ptr = (char*)_Ptr + _ALLOCA_S_MARKER_SIZE;24  //最后返回给调用者的指针，是原始指针偏移了_ALLOCA_S_MARKER_SIZE的新指针，这也是刚才我将指针向后偏移，就能得到该指针所指向内存区块的大小的原因。25     }26     return _Ptr;27 }

再来看看在 M$ 编译器中它是如何释放的，同样在 mallloc.h 文件249行到274行：

 1 /* _freea must be in the header so that its allocator matches _malloca */ 2 #if !defined (__midl) && !defined (RC_INVOKED) 3 #if !(defined (_DEBUG) && defined (_CRTDBG_MAP_ALLOC)) 4 #undef _freea 5 __pragma(warning(push)) 6 __pragma(warning(disable: 6014)) 7 _CRTNOALIAS __inline void __CRTDECL _freea(_Pre_maybenull_ _Post_invalid_ void * _Memory) 8 { 9     unsigned int _Marker;10     if (_Memory)11     {12         _Memory = (char*)_Memory - _ALLOCA_S_MARKER_SIZE;13 //获得原始指针14         _Marker = *(unsigned int *)_Memory;//得到指针所指区块的大小15         if (_Marker == _ALLOCA_S_HEAP_MARKER)16         {17             free(_Memory);18         }19 #if defined (_ASSERTE)20         else if (_Marker != _ALLOCA_S_STACK_MARKER)21         {22             #pragma warning(suppress: 4548) /* expression before comma has no effect */23             _ASSERTE(("Corrupted pointer passed to _freea", 0));24         }25 #endif  /* defined (_ASSERTE) */26     }27 }

再来看看 SGI　STL标准库源码 stl_alloc.h 文件209 行到 246行 debug_alloc类模板的设计：

 1 // Allocator adaptor to check size arguments for debugging. 2 // Reports errors using assert.  Checking can be disabled with 3 // NDEBUG, but it‘s far better to just use the underlying allocator 4 // instead when no checking is desired. 5 // There is some evidence that this can confuse Purify. 6 template <class _Alloc> 7 class debug_alloc { 8  9 private:10 11   enum {_S_extra = 8};  // Size of space used to store size.  Note12                         // that this must be large enough to preserve13                         // alignment.14 15                         //这儿就像它所说的那样16 public:17 18   static void* allocate(size_t __n)19   {20     //21 这里实际申请的内存大小要多 8 个字节22     char* __result = (char*)_Alloc::allocate(__n + (int) _S_extra);23     *(size_t*)__result = __n;//前 4 个字节用于存储区块大小，可以看到，它预留了4个字节的空白区，具体原由 还望大牛能指出，==。24     return __result + (int) _S_extra;//最后返回相对于原始指针偏移8个字节的新指针25   }26 27   static void deallocate(void* __p, size_t __n)28   {29     char* __real_p = (char*)__p - (int) _S_extra;//获得原始指针30     assert(*(size_t*)__real_p == __n);//这里增加了一个断言，防止析构了被破坏的指针31     _Alloc::deallocate(__real_p, __n + (int) _S_extra);32   }33 34   static void* reallocate(void* __p, size_t __old_sz, size_t __new_sz)35   {36     char* __real_p = (char*)__p - (int) _S_extra;37     assert(*(size_t*)__real_p == __old_sz);38     char* __result = (char*)39       _Alloc::reallocate(__real_p, __old_sz + (int) _S_extra,40                                    __new_sz + (int) _S_extra);41     *(size_t*)__result = __new_sz;42     return __result + (int) _S_extra;43   }44 45 };

再来看看 gcc 下，其实也有类似的设计：