流言终结者——C语言内存管理

写在前头：
我不能保证此文中，我的观点和理解全是对的，这也不是一篇教学贴，只是我偶尔突发奇想了几个特殊的场景，然后用实验得到结果，对结果进行分析，遂成此文。所以文中肯定存在错误，我也没想到会上首页，引来众人围观。
最后，欢迎拍砖，我觉得错了不要紧，改就是了，最惨的是不知道自己错在哪。

首先看一下man手册中的定义，

void *malloc(size_t size);
向系统申请size个Bytes长的连续内存，返回一个void类型的指针，指向这块儿内存的首地址。这块申请到的内存是不洁的（也就是非全0x00，内容可以是任意的，随机的）
如果size的值是0，那么返回的指针要么是指向NULL，要么是指向一个unique的地址，这个地址是可以被free释放的。（这里的解释是有问题的，例子(8)会证明）

void free(void *ptr);
释 放ptr指向的内存空间，ptr必须是之前调用过malloc,calloc,realloc这三个函数返回的，否则，如果free(ptr)已经执行过 了，而又执行一次，那么会导致意外发生（undefined behavior occurs.），如果ptr指向的是NULL，则不会做任何操作。

(1)假设有

1 char *p = NULL;
2 p = (char*)malloc(0);

那么p获得的内存块的长度到底是多少？能否往里面写入数据？
答：不妨用这段代码来测试：

01 int main(int argc, char **argv)
02 {
03     char *value = NULL;   
04     char *ori   = NULL;
05     value = malloc(0);
06     ori   = value;
07     printf("value[0] is [%c]\n", *value);
08     while(1) {
09         *value = 'a';
10         value++;
11         printf("value len [%d]\n", strlen(ori));
12     }
13 }

这段代码结果如下所示：Fedora14：

01 [michael@localhost mem-test]$ ./a.out    
02 value[0] is []
03 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [1]
04 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [2]
05 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [3]
06 ...（省略N行）
07 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [135157]
08 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [135158]
09 yydebug:[./mem-test.c]:[34]:value len [135159]
10 Segmentation fault (core dumped)
11 [michael@localhost mem-test]$

我重新编译、运行了很多次，最后打印结果都是135159；
这 个结果证明了malloc(0)返回的指针指向的是一个非NULL的内存地址处，并且该处的值是0x00，并且对于该进程，不仅该处是可写的，而且之后的 135159个Bytes也都是可写的，也就是属于这个进程空间。直到最后，可能写到别的进程的空间里面去了，才被内核发来段错误信号，自己结束了。

其实在写该处就已经是内存越界了，往后继续写更加是内存越界，只是刚好那么巧，该处往后的内存块依然是该进程的有效heap区间，所以才没有被内核发段错误，而往往这种情况是最惨的，在实际开发工作中，假设哪天真的出个这情况，又不会被警告，但是却有发现数据被窜改。

(2)假设有

1 void *p = NULL;
2 p = malloc(0);

那么稍后p需要用free(p)来释放，以避免内存泄漏吗？
答：不妨用这段代码来测试：

01 int main(int argc, char **argv)
02 {
03     char *value = NULL;
04  
05     while(1) {
06         value = (char*)malloc(0);
07         printf("value addr [%p]\n", value);
08     }
09     return 0;
10 }

结果如下所示：

1 ...（幸亏我及时Ctrl+C停住，运行超过几秒，电脑就会卡爆了）
2 value addr [0x87aa5c8]
3 value addr [0x87aa5d8]
4 value addr [0x87aa5e8]^C
5 [michael@localhost mem-test]$

从打印看来，虽然是调用malloc(0);，但是每次指向的地址都不同，并且逐渐增大，偏移是0x10，也就是16个字节。

可以不用while(1)来测试，用一个有限的不是很大的值来测试，然后用top命令来观察这个进程的资源使用情况，可以看出a.out消耗的内存在不断增加，所以答案就是，malloc(0)申请的内存，也要通过free()来释放，以避免内存泄漏。

(3)假设有

1 char *p = NULL;
2 free(p);

那么会导致进程退出吗？
答案：不会，free(NULL)相当于啥事儿不干。


(4)假设有

1 char *p = NULL;
2 while(1) {
3     free(p);
4 }

那么会导致进程退出吗？
答案：不会，进程永远循环在while(1)里面，不会出错退出。


(5)假设有

1 void *p = NULL;
2 p = malloc(256);
3 free(p);
4 free(p);

那么进程会出错退出吗？
答案：进程会出错退出，打印堆栈信息，提示

1 [michael@localhost mem-test]$ ./a.out
2 *** glibc detected *** ./a.out: double free or corruption (fasttop): 0x09dad008 ***

类似的信息。所以已经free掉的内存，除非又申请回来了，否则不能再次去free它，否则进程会出错。


(6)为什么经常有人说free(p);要和p = NULL;一起用，以避免“野指针”的出现？
答案：其实用上面那个例子(5)就能看出，如果free超过1次就会出错，但是从例子(3)和例子(4)可以看出，free(NULL);可以执行任意次 都不会出错。所以一般free(p);之后，马上把p指向NULL;，从而即使别人再去执行free(p);也不会出现错误。不仅如此，通过让p指向 NULL，也很好的给别人一个提示，你是否对p进行了成功的操作，让别人好判断。不妨看看如下的例子：

01 void foo(char *in)//你做的功能函数
02 {
03     free(in);   
04 }
05 int main(int argc, char **argv)
06 {
07     char *p = NULL;
08     p = strdup("hello_world");
09     printf("p = [%s], len = [%d]\n", p, strlen(p));
10     foo(p); //你同事在调用你的函数
11  
12     //感谢@<a href="http://my.oschina.net/louisluo" target="_blank" rel="nofollow">ColoredCotton</a>的贡献
13     //由于foo函数的形参是*p，所以无法在foo函数内修改实参指针的指向，所以这的判断总是true
14     if (NULL != p) {//他不确定你有木有free()，他还很聪明的做了一个判断
15         free(p);
16         p = NULL; //他习惯很好，free之后指向NULL
17     }
18     return 0;
19 }

假设foo函数是你写的，你同事在调用foo功能的时候，又不确定你是否free了传进去的那块内存，于是他就在调用完foo之后，加了判断，然后执行 free，结果他得到的结果是，虽然你free了指针p，但是这仅仅是告诉内核，这块内存我不用了，你可以收回了，值得注意的是，p依然指向这块内存，换 句话说也就是指针变量p存的值依然是刚才释放掉的那块内存的首地址。所以你同事的判断得到的结果是true，然后又会执行free(p);结果当然和例子 (5)一样了，如下所示：

1 [michael@localhost mem-test]$ ./a.out
2 p = [hello_world], len = [11]
3 *** glibc detected *** ./a.out: double free or corruption (fasttop): 0x09088008 ***

那么“野指针”还可以这样定义，指向所有非法地址（NULL除外）的指针都可以叫野指针。
那么程序应该改成这样较妥：

01 void foo(char **in)//调用方式应该是传入某个指针的地址
02 {   
03     printf(" &in = [%p], in\'s address\n", &in);
04     printf("  in = [%p], in\'s value\n",  in);
05     printf(" *in = [%p]\n", *in);
06     printf("**in = [%c]\n", **in);
07     free(*in); //*in是实参的指针变量p的指向的被分配的内存
08     *in = NULL; //使得p指向NULL，也就是修改变量p的值
09 }
10 int main(int argc, char **argv)
11 {
12     char *p = NULL;
13     p = strdup("hello_world");
14     printf("   p = [%s], len = [%d]\n", p, strlen(p));
15     printf("  &p = [%p], p\'s address\n", &p);
16     printf("   p = [%p], p\'s value\n",  p);
17     printf("  *p = [%c], value of addr No.[%p]\n", *p, p);
18     foo(&p); //这里应该传入p的地址，即&p
19  
20     //感谢@ColoredCotton的贡献
21     //而现在，这里的判断就会是false了
22     if (NULL != p) { //这里的判断就有意义了
23         free(p);
24         p = NULL;
25     }
26     else {
27         printf("p is NULL\n");
28     }
29     return 0;
30 }

运行一遍，看看打印如何：

01 [michael@localhost mem-test]$ ./a.out
02    p = [hello_world], len = [11]
03   &p = [0xbf94014c], p's address
04    p = [0x9964008], p's value
05   *p = [h], value of addr No.[0x9964008]
06  &in = [0xbf940130], in's address
07   in = [0xbf94014c], in's value
08  *in = [0x9964008]
09 **in = [h]
10 p is NULL
11 [michael@localhost mem-test]$

我想，根据打印信息来看，没什么需要解释的了。顺便还弄透彻了指针以及函数传参。


(7)刚malloc后，马上就free，然后一直循环，会不会总是申请到同一块内存？

答案：这不是真的。不信？你用这些代码测试一下就知道了：

01 int main(int argc, char **argv)
02 {
03     char *p = NULL;
04     int ra = 0;
05     while(1) {
06         ra = rand()%100+1; //生成一个1-100之间的随机数
07         if (NULL != (p = (char*)malloc(ra))) {
08             printf("p addr [%p], ra = [%d]\n", p, ra);
09         }
10         else {
11             return -1;
12         }
13         free(p);
14     }
15     return 0;
16 }

看看打印吧：

1 p addr [0x8bd8008], ra = [59]
2 p addr [0x8bd8048], ra = [78]
3 p addr [0x8bd8008], ra = [41]
4 p addr [0x8bd8038], ra = [46]
5 p addr [0x8bd8070], ra = [82]
6 p addr [0x8bd8008], ra = [62]
7 p addr [0x8bd8008], ra = [91]
8 p addr [0x8bd8008], ra = [24]

为什么不会一样呢？这个可以深究一下Linux系统的内存分配方式了，这就涉及到内核了。


(8)malloc(0)返回的真的入man手册所说：要么是NULL，要么是一个unique的pointer？
答案：不妨看下这段代码：

01 int main(int argc, char **argv)
02 {
03     char *p = NULL;
04     char *p0 = NULL;
05     int ra = 0;
06     while(1) {
07         ra = rand()%100+1;
08         if (NULL == (p = (char*)malloc(ra))) {
09             printf("error occurs\n");
10         }
11         if (NULL != (p0 = malloc(0))) {
12             printf("p0 addr [%p]\n", p0);
13         }
14         free(p);
15         free(p0);
16     }
17     return 0;
18 }

打印如下所示：

1 p0 addr [0x97eb008] #我随便截取了一段打印
2 p0 addr [0x97eb008]
3 p0 addr [0x97eb008]
4 p0 addr [0x97eb040]
5 p0 addr [0x97eb040]
6 p0 addr [0x97eb040]

所以从打印看来，我用Fedora14测试的时候，返回的既不是NULL，也不是一个唯一的地址，我现在也迷惑了，man手册中的unique到底应该如何理解。很遗憾man手册说得不太准确。如果你知道为什么，请告诉我，如果我哪一天弄明白了，我会在这里贴出来的。


(9)如果你也和我一样，做了这么多的实验，你是不是发现，malloc得到的地址的值总是大于0x80000000的（32bits机器）？
答案：不好意思，我也不知道为什么，做了好多次，不管如何重新编译、运行，得到的结果都是大于0x80000000的，如果你知道为什么，也请告诉我，如果我哪一天弄明白了，我会在这里贴出来的。

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