C：malloc()、free() 和 malloc() 是否总是一样工作？

Question

我曾尝试运行在一些具有不同处理器和主内存大小的不同机器上使用此代码。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(void)
{
    // your code goes here

    int *a, i;

    a = (int *)malloc(10*(sizeof(int)));

    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        a[i] = i*i;
    }

    free(a); 

    a = (int *)malloc(10*(sizeof(int)));

    for(i = 0; i < 10; i++)
    {
        printf("%d\n",a[i]);
    }

    free(a);

    return 0;
}

然而，在所有机器中它生成相同的输出：

我的问题是：变量 'a' 是否应该始终分配使用相同的内存位置来执行？

理论上，可能不是强制性的。如果我的理解是正确的：'a' 的每个 malloc 都可以分配不同的基地址。

然而，现代计算机在实践中究竟发生了什么？

Answer 1

现代内存分配器有几个性能优化。它们有几个可用内存桶，每次您请求一定数量的字节时，它们都会查看并确定可用的最佳内存区域。一些内存分配器会保留一个指向您最后一次分配的指针，因此如果您需要另一块相同大小的内存（这种情况经常发生），它们会返回给您相同的内存块，这样他们就不必寻找新的内存分配，需要时间。

您可以尝试两次调用 malloc()，然后调用 free()，然后再次调用 malloc()，看看会发生什么。

Answer 2

不能保证这会奏效。（事实上，它不适用于 Visual Studio 中的调试版本，因为调试内存分配器会在您释放数据时破坏数据以检测此类错误。）

你永远不应该依赖这种行为。

一些内存管理器使用 LIFO（后进先出）已释放内存块列表。这意味着下一个相同大小的分配很可能会得到相同的块。其他内存管理器明确不使用 LIFO 空闲列表，以使恶意软件更难利用堆管理错误。

Answer 3

它在实践中发生，因为重新使用刚刚释放的内存块通常是最好的选择。它在缓存中可能仍然很热，这意味着可以缩短 malloc 的空闲列表（而不是将该块留在空闲列表中并从 OS 获取新块）。

这也意味着malloc可能不需要任何系统调用来满足这个请求。小的 free() 调用通常不会立即返回到 OS（因为通常不能，因为它们只是页面的一部分）。所以典型的 malloc 实现将它们放在空闲列表中。

所以这个小实验已经告诉您一些关于 malloc 在您尝试过的特定 C 实现上的内部实现。正如我认为您从问题措辞中意识到的那样，这是未定义的行为，永远不应依赖。

它并不是真正特定于 CPU 体系结构。据我所知，GNU libc 的 malloc 在每个体系结构上使用相同的算法。

即使在确实以这种方式工作的 C 实现上，也有很多方法可以打破它：信号处理程序可以运行在空闲和第二个 malloc 之间，并获取块。在多线程代码中，另一个线程可以占用 free 和 malloc 之间的块。（尽管这种可能性较小：每个线程通常会使用自己的小池）。

大缓冲区通常会交还给 free() 调用中的 OS，因此下一个 malloc() 必须再次从 OS 获得新鲜记忆。请参阅 mallopt(3) 中的 M_MMAP_THRESHOLD 以了解 glibc 的 malloc 中该可调参数的解释。 M_PERTURB 提供了与 Adrian 描述的 MSVC++ 调试版本类似的功能：破坏具有释放后使用错误的代码，以及破坏依赖于 malloced 内存归零或其他东西的代码（使用 calloc 以有效地获得归零内存）。

C：malloc()、free() 和 malloc() 是否总是一样工作？

C: malloc(), free() and then again malloc() does work same always?

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