了解堆中的内存分配

Question

我试图了解如何使用 malloc 在堆上分配内存，并遇到以下观察结果，但无法理解其背后的原因。如果有人能解释一下就太好了。

首先看一下我写的代码：

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

void print_int_heap(unsigned int *ptr, int len)
{
    printf("PREV_SIZE: [%08x]  SIZE: [%08x]  MEM: [%08x] for INT malloc(%d)\n", *(ptr-2), *(ptr-1), ptr, len);
}
void print_char_heap(char *ptr, int len)
{
    printf("PREV_SIZE: [%08x]  SIZE: [%08x]  MEM: [%08x] for CHAR malloc(%d)\n", *(ptr-2), *(ptr-1), ptr, len);
}

int main() {

    unsigned int *ptr1 = malloc(20);
    print_int_heap(ptr1, 20);
    char *ptr2 = malloc(20)
    print_char_heap(ptr2, 20);
    return 0;
}

我为上述程序得到的输出是：

PREV_SIZE: [0x00000000] SIZE: [0x00000019] MEM: [0x0804b008] for INT malloc(20)
PREV_SIZE: [0x00000000] SIZE: [0x00000000] MEM: [0x0804b020] for INT malloc(20)

我可以理解 int malloc 的输出，但我不明白为什么 char malloc 的块大小的值为 0？

Answer 1

如果ptr 是int*，*(ptr - 1) 指的是sizeof(int) 之前的ptr 引用的字节。这通常是一个 32 位的数量，从 ptr 之前的四个字节开始。

同样，如果是char*，*(ptr - 1) 指的是sizeof(char) 之前的ptr 引用的字节。 sizeof(char) 始终为 1；通常这将是 ptr 值之前的单个字节中的 8 位数量。

这些显然是完全不同的东西。

顺便说一句，你可以写ptr[-1]。但正如上面的分析所示，这真的不是你想要的。您想将ptr 转换为指向您认为在ptr 之前的对象的数据类型的指针，可能是uint32_t。

从技术上讲，这都是未定义的行为，但是如果您的 malloc 实现在分配之前存储数据并且您知道该数据的类型，我会说可以阅读它。 （虽然盯着系统函数的内部数据看总是有点粗鲁。）

请注意，并非所有malloc 实现都做同样的事情。您很可能会在其他地方找到一个长度超过或根本没有的。

Answer 2

当您对指针执行算术运算时，算术运算是以指针指向的对象的大小为单位进行的。所以对于char *ptr，ptr-1 从ptr 的地址中减去 1 个字节。但是对于unsigned int *ptr，ptr-1 会从ptr 中的地址中减去sizeof(int)。

因此，在您的两个函数中，您不会减去相同数量的字节来获取块的堆簿记数据。

此外，当您取消引用指针时，它只访问指针数据类型中的字节数。所以在print_int_heap() 中，*(ptr-1) 返回一个unsigned int，而在print_char_heap() 中返回一个char。

您可能应该只编写一个 print_heap() 函数，并将参数转换为调用者中的适当类型。

Answer 3

来自DENNIS M. RITCHIE 的C 编程语言一书

而不是从已编译的 固定大小 数组中分配， ma​​lloc 将根据需要向操作系统请求空间。由于程序中的其他活动也可能需要空间 调用这个分配器，空间 ma​​lloc 管理可能不连续。因此，它的空闲存储空间被保存为空闲块的列表。每个块包含一个size，一个 指向下一个区块的指针，以及 空间本身。这些块按存储地址递增的顺序保存，最后一个块（最高地址）指向第一个。这 malloc() 返回的块看起来像

    points to          
    next free
     block       
      |                
   ---------------------------------------
   |       |   size   |                  |
   ---------------------------------------
   |       |          |..address returned to the user
   (ptr-2) (ptr-1)    ptr -->     
                      LSB              MSB

这里

void print_int_heap(unsigned int *ptr, int len) {
    printf("PREV_SIZE: [%08x]  SIZE: [%08x]  MEM: [%08x] for INT malloc(%d)\n", *(ptr-2), *(ptr-1), ptr, len);
}

*(ptr-2) 打印"next free block" 内的值，如上图所示，*(ptr-1) 打印"size" 块内的值，即分配了多少内存，&ptr 打印用户返回的地址。请注意，这里的ptr 类型是unsigned int*，所以*(ptr-2) 表示从2*sizeof(int) 之前的ptr 指向的字节访问数据。

这里

void print_char_heap(char *ptr, int len){
    printf("PREV_SIZE: [%08x]  SIZE: [%08x]  MEM: [%08x] for CHAR malloc(%d)\n", *(ptr-2), *(ptr-1), ptr, len);
}

访问*(ptr-1)时

    next free
     block        (ptr-1)--> *(ptr-1) prints data from ? marked location.
      |            |  
   ---------------------------------------
   |       | size |? |                  |
   ---------------------------------------
   |       |         |..address returned to the user
                     ptr -->     
                     LSB              MSB

ptr 类型为char* 意味着当您执行*(ptr-1) 时，它将访问来自sizeof(char) 字节之前的ptr 指向的数据。

在动态分配内存时最好使用valgrind 并确保没有发生内存泄漏的地方，只需运行

valgrind --leak-check=full -v ./your_exe

并分析valgrind的消息。例如，它可能会显示类似

==3193== Invalid read of size 4
==3193==    at 0x8048459: print_int_heap
==3193== Invalid read of size 4
==3193==    at 0x8048461: print_int_heap