尝试使用 free() 来了解它是如何工作的答案

【问题标题】：Trying to use free() to understand how it works尝试使用 free() 来了解它是如何工作的
【发布时间】：2014-05-27 23:08:22
【问题描述】：

为了了解 free 在 C 编程语言中的用法，我尝试在 Ubuntu 上运行此代码，但在运行 EXE 文件时收到 SIGABRT 错误。为什么程序没有正常退出？

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

int main()
{
   int ret;
   int *ptr;
   ptr = (int *)malloc(sizeof(int)*10);
   free(ptr);
   ptr = &ret;
   free(ptr);
   return 0;
}

【问题讨论】：

静态分配自动回收。不需要free它。
你不需要在 C 程序中强制转换 malloc 的返回值。
您永远不会将malloc()、calloc()、realloc() 未返回的值传递给free，或者向您返回指向“好像”分配的内存的指针的函数通过这些函数之一（例如strdup()、getline()、asprintf()、scanf() 和%ms 修饰符等）。
您是如何在 Ubuntu 上获得并运行 EXE 文件的？
free 是“un-malloc”函数，而不是“free any memory”函数。

标签： c debugging pointers malloc free

【解决方案1】：

尝试释放您没有从malloc（或其朋友之一）获得的指针会导致未定义的行为。您的第二个free(ptr) 电话就是这样做的。

来自 C 规范，§7.22.3.3 free 函数，第 2 段：

free 函数使ptr 所指向的空间被释放，即可供进一步分配。如果 ptr 是空指针，则不会发生任何操作。否则，如果参数与内存管理函数先前返回的指针不匹配，或者如果空间已通过调用 free 或 realloc 释放，行为未定义。

【讨论】：

【解决方案2】：

虽然所有未定义行为的答案都是正确的，但查看实现可能会更有帮助。

我认为K&R C malloc 是一个很好的参考。 "The C Programming Langugage"，第 8.7 章对它的工作原理进行了解释。

请记住，在查看来自 C 标准库函数的代码时，它们具有实现和规范，其中实现可能具有其规范所不需要的可重现行为。

基本上几乎所有malloc 实现都有一个空闲列表，它们在其中管理一个列表（或多个列表）中的空闲内存区域。空闲列表通常以某种方式处理，在内存区域上多次调用free 会使该列表处于不正确的状态。

当有目的地构建数据结构时，也可以调用恶意行为。 Phrack 有一篇过时的文章，介绍了如何在将无效内存传递给 free 并破坏空闲列表时调用代码执行。

Other malloc implementations 可能也值得一看（这是分配库的不完整列表）。

【讨论】：

【解决方案3】：

   ptr = &ret;
   free(ptr);

等同于：

    free(&ret);

ret 驻留在堆栈上，而不是堆上。尝试在堆上未分配的free() 内存（使用malloc() 等）将导致未定义的行为。

【讨论】：

在我熟悉的每一种情况下，都会导致运行时错误。
@RiaD：我工作过的每个平台都会出现运行时错误。但是平台不是必须的（例如，在没有操作系统的情况下运行的非常受限的嵌入式系统），并且未定义的行为被广泛误解（blog.regehr.org/archives/213），这意味着与“您的操作系统会抱怨”非常不同。
@MaxLybbert，好吧，我的评论解决了答案中的“将导致运行时错误”行，现在已被编辑掉
我知道答案已经存在了一段时间，我没想到你或@MahonriMoriancumer 会给出答案。我只是想说明“未定义的行为”比“突然崩溃”意味着更多。这可能意味着“编译器更改了您的代码，最终结果甚至可能无法用原始语言描述。”

【解决方案4】：

函数free() 仅适用于由malloc() 在heap 上分配的内存。不适用于静态分配，因为静态分配是自动处理的。这是错误：

 int ret; 

 ptr = &ret;

 free(ptr);

您不能这样做，因为ret 的内存没有在堆上分配。它在堆栈中，应该只释放堆的内存。

【讨论】：

【解决方案5】：

您的第二个free(ptr) 正在导致未定义的行为，因为您试图释放您未分配的指针。另请注意，静态分配会自动回收，因此您不需要它们来释放它。

【讨论】：

【解决方案6】：

  ptr = &ret;
   free(ptr);

在这里，您试图释放本地存储堆栈变量的内存。根据规则，您不应该释放它。当 main() 退出堆栈上的所有本地存储时，内存总是空闲的。

Free 仅适用于堆分配内存。

【讨论】：

【解决方案7】：

在 c 或 c++ 程序中可以在三个区域创建变量。

全局或静态变量位于可执行二进制文件中的固定位置。
静态范围之外的自动变量在堆栈中
malloc'ed 或 calloc'ed 变量在堆上。

free() 是释放堆上先前分配的内存的函数。 malloc 或类似函数返回指向堆上内存的指针。读取或写入该内存的唯一方法是通过指针。指针是地址，指针* 是指向该地址的内容。

在显示的示例中，有两个变量，定义在 Main 中，实际上是静态的，以及来自 Main 的返回值，它在堆栈上。使用最小整数，16 位，这是一个可能的内存映射。在此映射中，指令从 0 开始，堆栈从某个非零值（堆栈的开头 - bos）开始并通过递增而增长，并且堆从最大地址（...FFFF，又名 -1）开始并通过递减而增长：

（记住，MIN_INT 是 -32768，MAX_INT 是 32767...规范只保证 16 位，有符号）

每个字节都有一个“n”位宽的地址 - 通常为 16、32 或 64 位

-1。（堆开始，例如16位地址：0xFFFF，32位地址：0xFFFFFFFF或64位地址：0xFFFFFFFFFFFFFFFF）

-2。（从堆开始向下的第一个位置。0x...FFFE）ptr[9]，一次

-3。（从堆开始向下的第二个位置。0x...FFFD）

-4。（从堆开始向下的第三个位置。0x...FFFC）ptr[8]，一次

[剪辑]

-17。（从堆开始向下的第 16 个位置。0x...FFEF）

-18。（从堆开始向下的第 17 个位置。0x...FFEE）ptr[1]，一次

-19。（从堆开始向下的第 18 个位置。0x...FFED）

-20（从堆开始向下的第 19 个位置。0x...FFEC）ptr[0]，一次

-21。（堆顶，从堆开始向下 10 X 16 位整数。0x...FFEB），一次

： 32 位或 64 位机器上的地址范围非常大... ：

tos: (栈顶 0x...tos)

bos + ( sizeof( int ) - 1) 从 Main() 返回的 int 结束

bos:（栈的开始：在静态数据之上）从Mail()返回的int的开始

togs：（全局/静态顶部）“ptr”结束

：（指针的大小是地址总线的宽度......不管它需要什么）

togs-(n-1): (top of global/static - (sizeof( int* ) - 1)) “ptr”开始

(togs-n) : “ret”结束

(togs-n)-1: "ret" 的开始

（编译器为自己、调试器等添加的任何全局内容）

（程序代码结束）

（程序代码的开始）

（非程序代码的顶部）

0（非程序代码开始，0x...0000）

在运行时，“ptr”和“ret”可能都从“0”开始，因为它们是固定的、静态的值，从可执行二进制文件来源的文件中读出。

随着程序的运行，“ptr”的值发生变化，首先，指向堆，在 malloc 的 10 个整数数组：“0x...FFEC”

对 free() 的调用不会改变 ptr 的值，它仍然是“0x...FFEC” 释放“0x...FFEC”是合法的，并且运行起来没有任何有趣的东西。

赋值“ptr = &ret”将新值设置为“ptr”，“(togs-n)-1”，“ret”的开始。

释放“(togs-n)-1”会导致立即崩溃，因为“free”会检查“(togs-n)-1”的值，并且它不在堆地址的有效范围内。

"ret" 保持空白，从未设置，但由于它是全局/静态的，它保持在链接器将其写入磁盘时的任何状态。

【讨论】：