Как работает free в си
The free() function in C is used to free or deallocate the dynamically allocated memory and helps in reducing memory wastage. The C free() function cannot be used to free the statically allocated memory (e.g., local variables) or memory allocated on the stack. It can only be used to deallocate the heap memory previously allocated using malloc(), calloc() and realloc() functions.
The free() function is defined inside <stdlib.h> header file.
C free() Function
Syntax of free() Function in C
Parameters
- ptr is the pointer to the memory block that needs to be freed or deallocated.
Return Value
- The free() function does not return any value.
Examples of free()
Example 1:
The following C program illustrates the use of the calloc() function to allocate memory dynamically and free() function to release that memory.
Как работает free в си
Deallocates the space previously allocated by malloc() , calloc() , aligned_alloc() , (since C11) or realloc() .
If ptr is a null pointer, the function does nothing.
The behavior is undefined if the value of ptr does not equal a value returned earlier by malloc() , calloc() , realloc() , or aligned_alloc() (since C11) .
The behavior is undefined if the memory area referred to by ptr has already been deallocated, that is, free() , free_sized() , free_aligned_sized() (since C23) , or realloc() has already been called with ptr as the argument and no calls to malloc() , calloc() , realloc() , or aligned_alloc() (since C11) resulted in a pointer equal to ptr afterwards.
The behavior is undefined if after free() returns, an access is made through the pointer ptr (unless another allocation function happened to result in a pointer value equal to ptr ).
free is thread-safe: it behaves as though only accessing the memory locations visible through its argument, and not any static storage.
A call to free that deallocates a region of memory synchronizes-with a call to any subsequent allocation function that allocates the same or a part of the same region of memory. This synchronization occurs after any access to the memory by the deallocating function and before any access to the memory by the allocation function. There is a single total order of all allocation and deallocation functions operating on each particular region of memory.
Contents
[edit] Parameters
| ptr | — | pointer to the memory to deallocate |
[edit] Return value
[edit] Notes
The function accepts (and does nothing with) the null pointer to reduce the amount of special-casing. Whether allocation succeeds or not, the pointer returned by an allocation function can be passed to free() .
C Programming Language: Functions — malloc(), calloc(), realloc(), and free()
Before diving in the subject, first we must know why it’s helpful to use dynamic memory allocation, for example, when:
- It’s not known how many objects of some kind is needed.
- It’s needed to have data structures of size known, only at runtime.
- An object with a lifetime is different than what automatic variables (int a; char c;…) are, because they’re scope-bound, meaning that when the execution ends, they die… And so the data stored. 😉
Since we now know this shit already (see? It was easy), let’s move on to these four (4) functions. These functions can be found in the <stdlib.h> header file.
malloc()
This function allocates a size byte of memory. It returns a pointer (*) to the first byte, or if there is an error, it returns NULL (to ensure that the situation is out of memory). The format follows as:
type can be any variable type, such as int, char, float, etc…
The output should be something like this:
So… What’s going on in here?
Declare a pointer pointing to nowhere.
p = ( int * ) malloc ( sizeof ( int ) );
The pointer itself (not the content) is assigned to a pointer type int that contains the memory address space for an int. With sizeof() , it gets the space of the type. In this case we get 2 bytes as size, because it's the real size of an int.
If we want to assign a value to the content, we can do something like this:
The content of the pointer is assigned to an int value five (5).
Ok, how about this next snippet, what do you think it does?
It allocates 420 ints to the pointer.
Now that we know the basics of malloc(), let’s try making a program and see how it works.
The program is self explanatory. If it’s unable to find the requested amount of memory, malloc() will return NULL.
Wait, wait, wait…
If it fails to allocate memory, and we still try to do stuff with our program, bad things will happen… How do we fix this? By protecting it of course! This is a tiny hack, see if you can make sense of it:
This way, if the malloc function returns NULL, the if statement will be TRUE (see the ‘!’ before ptr, it inverts the logic). Now you can handle the error if wanted… so if you want to exit the program or do other things, now you can! Neat, uh?
In layman’s terms, free() is the opposite of malloc(). If malloc() allocates memory, what does free() do? It de-allocates the memory. 😉
Imagine you have a clusterfuck of a program, and while it runs, it keeps malloc()-ing forever… it’s said to leak memory, and this is bad. Avoid these leaks with free()ing the memory when you’re done with it! It’s really simple, just look at this…
calloc()
Same principle as malloc(), but it’s used to allocate storage. The real difference between these two, is that calloc() initializes all bytes in the allocation block to zero, because it’s used to reserve space for dynamic arrays. It’s written like this.
(type *) calloc(num, size);
num specifies the size in bytes of one element to the second argument (size). If the partitioning is successful, the address is returned. If not, NULL is returned.
Look at the following snippet
What do you think it does? That’s right! It allocates an array of 5 elements, with the size of an int. Now let’s try something different, let’s use malloc().
However, with malloc(), the reserved areas are undefined. Try compiling the following program and see for yourself!
WHAT?! It crashed?
Ohhh… That’s ok, and you should know why (hint: do you really wanna print garbage?).
Also, take note that calloc() itself is slower than malloc, because of the time spent clearing up the content allocated in memory (initializing everything to NULL). It’s better to use malloc() if you want to allocate some memory and copy some stuff there.
Realloc is used to change the size of memory block on the heap.
Look at the following snippet
int *ptr = malloc(10 * sizeof(int));
Now, if you want to increase the size of memory pointed to by ptr from 10 to 20, without losing the contents of already allocated memory, use the mighty realloc().
ptr = (int *)realloc(ptr, 20 * sizeof(int));
In this case realloc will allocate memory for 20 integers somewhere else and then copy the contents of the first 10 locations from here to the new place. It will also de-allocate the existing memory and return a pointer to the new memory. Keep in mind the following:
- If pointer passed to realloc is null, then it will behave exactly like malloc.
- If the size passed is zero, and ptr is not NULL then the call is equivalent to free.
- If the area is moved to new location then a free on the previous location is called.
- If realloc() fails the original block is left untouched; it is not freed or moved.
Trivia
- calloc() is basically malloc() + memset() .
This behavior is pretty much the same as calloc().
Динамическое выделение памяти
В предыдущей главе уже обсуждалось, что локальные переменные кладутся на стек и существую до тех пор, пока мы не вышли из функции. С одной стороны, это позволяет автоматически очищать память, с другой стороны, существует необходимость в переменных, время жизни которых мы можем контролировать самостоятельно. Кроме того, нам необходимо динамическое выделение памяти, когда размер используемого пространства заранее не известен. Для этого используется выделение памяти на куче. Недостатков у такого подхода два: во-первых, память необходимо вручную очищать, во-вторых, выдеение памяти – достаточно дорогостоящая операция.
Для выделения памяти на куче в си используется функция malloc (memory allocation) из библиотеки stdlib.h
Функция выделяет size байтов памяти и возвращает указатель на неё. Если память выделить не удалось, то функция возвращает NULL. Так как malloc возвращает указатель типа void, то его необходимо явно приводить к нужному нам типу. Например, создадим указатель, после этого выделим память размером в 100 байт.
После того, как мы поработали с памятью, необходимо освободить память функцией free.
Используя указатель, можно работать с выделенной памятью как с массивом. Пример: пользователь вводит число – размер массива, создаём массив этого размера и заполняем его квадратами чисел по порядку. После этого выводим и удаляем массив.
Здесь (int *) – приведение типов. Пишем такой же тип, как и у указателя.
size * sizeof(int) – сколько байт выделить. sizeof(int) – размер одного элемента массива.
После этого работаем с указателем точно также, как и с массивом. В конце не забываем удалять выделенную память.
Теперь представим на рисунке, что у нас происходило. Пусть мы ввели число 5.
Функция malloc выделила память на куче по определённому адресу, после чего вернула его. Теперь указатель p хранит этот адрес и может им пользоваться для работы. В принципе, он может пользоваться и любым другим адресом.
Когда функция malloc «выделяет память», то она резервирует место на куче и возвращает адрес этого участка. У нас будет гарантия, что компьютер не отдаст нашу память кому-то ещё. Когда мы вызываем функцию free, то мы освобождаем память, то есть говорим компьютеру, что эта память может быть использована кем-то другим. Он может использовать нашу память, а может и нет, но теперь у нас уже нет гарантии, что эта память наша. При этом сама переменная не зануляется, она продолжает хранить адрес, которым ранее пользовалась.
Это очень похоже на съём номера в отеле. Мы получаем дубликат ключа от номера, живём в нём, а потом сдаём комнату обратно. Но дубликат ключа у нас остаётся. Всегда можно зайти в этот номер, но в нём уже кто-то может жить. Так что наша обязанность – удалить дубликат.
Иногда думают, что происходит «создание» или «удаление» памяти. На самом деле происходит только перераспределение ресурсов.
Освобождение памяти с помощью free
Т еперь рассмотри, как происходит освобождение памяти. Переменная указатель хранит адрес области памяти, начиная с которого она может им пользоваться. Однако, она не хранит размера этой области. Откуда тогда функция free знает, сколько памяти необходимо освободить?
- 1. Можно создать карту, в которой будет храниться размер выделенного участка. Каждый раз при освобождении памяти компьютер будет обращаться к этим данным и получать нужную информацию.
- 2. Второе решение более распространено. Информация о размере хранится на куче до самих данных. Таким образом, при выделении памяти резервируется места больше и туда записывается информация о выделенном участке. При освобождении памяти функция free «подсматривает», сколько памяти необходимо удалить.
Работа с двумерными и многомерными массивами
Д ля динамического создания двумерного массива сначала необходимо создать массив указателей, после чего каждому из элементов этого массива присвоить адрес нового массива.
Для удаления массива необходимо повторить операцию в обратном порядке — удалить сначала подмассивы, а потом и сам массив указателей.
- 1. Создавать массивы «неправильной формы», то есть массив строк, каждая из которых имеет свой размер.
- 2. Работать по отдельности с каждой строкой массива: освобождать память или изменять размер строки.
Создадим «треугольный» массив и заполним его значениями
Чтобы создать трёхмерный массив, по аналогии, необходимо сначала определить указатель на указатель на указатель, после чего выделить память под массив указателей на указатель, после чего проинициализировать каждый из массивов и т.д.
calloc
Ф ункция calloc выделяет n объектов размером m и заполняет их нулями. Обычно она используется для выделения памяти под массивы. Синтаксис
realloc
Е щё одна важная функция – realloc (re-allocation). Она позволяет изменить размер ранее выделенной памяти и получает в качестве аргументов старый указатель и новый размер памяти в байтах:
Функция realloc может как использовать ранее выделенный участок памяти, так и новый. При этом не важно, меньше или больше новый размер – менеджер памяти сам решает, где выделять память.
Пример – пользователь вводит слова. Для начала выделяем под слова массив размером 10. Если пользователь ввёл больше слов, то изменяем его размер, чтобы хватило места. Когда пользователь вводит слово end, прекращаем ввод и выводим на печать все слова.
Хочу обратить внимание, что мы при выделении памяти пишем sizeof(char*), потому что размер указателя на char не равен одному байту, как размер переменной типа char.
Ошибки при выделении памяти
1. Бывает ситуация, при которой память не может быть выделена. В этом случае функция malloc (и calloc) возвращает NULL. Поэтому, перед выделением памяти необходимо обнулить указатель, а после выделения проверить, не равен ли он NULL. Так же ведёт себя и realloc. Когда мы используем функцию free проверять на NULL нет необходимости, так как согласно документации free(NULL) не производит никаких действий. Применительно к последнему примеру:
Хотелось бы добавить, что ошибки выделения памяти могут случиться, и просто выходить из приложения и выкидывать ошибку плохо. Решение зависит от ситуации. Например, если не хватает памяти, то можно подождать некоторое время и после этого опять попытаться выделить память, или использовать для временного хранения файл и переместить туда часть объектов. Или выполнить очистку, сократив используемую память и удалив ненужные объекты.
2. Изменение указателя, который хранит адрес выделенной области памяти. Как уже упоминалось выше, в выделенной области хранятся данные об объекте — его размер. При удалении free получает эту информацию. Однако, если мы изменили указатель, то удаление приведёт к ошибке, например
Таким образом, если указатель хранит адрес, то его не нужно изменять. Для работы лучше создать дополнительную переменную указатель, с которой работать дальше.
3. Использование освобождённой области. Почему это работает в си, описано выше. Эта ошибка выливается в другую – так называемые висячие указатели (dangling pointers или wild pointers). Вы удаляете объект, но при этом забываете изменить значение указателя на NULL. В итоге, он хранит адрес области памяти, которой уже нельзя воспользоваться, при этом проверить, валидная эта область или нет, у нас нет возможности.
Эта программа отработает и выведет мусор, или не мусор, или не выведет. Поведение не определено.
Если же мы напишем
то программа выкинет исключение. Это определённо лучше, чем неопределённое поведение. Если вы освобождаете память и используете указатель в дальнейшем, то обязательно обнулите его.
4. Освобождение освобождённой памяти. Пример
Здесь дважды вызывается free для переменной a. При этом, переменная a продолжает хранить адрес, который может далее быть передан кому-нибудь для использования. Решение здесь такое же как и раньше — обнулить указатель явно после удаления:
5. Одновременная работа с двумя указателями на одну область памяти. Пусть, например, у нас два указателя p1 и p2. Если под первый указатель была выделена память, то второй указатель может запросто скомпрометировать эту область:
Рассмотрим код ещё раз.
Теперь оба указателя хранят один адрес.
А вот здесь происходит непредвиденное. Мы решили выделить под p2 новый участок памяти. realloc гарантирует сохранение контента, но вот сам указатель p1 может перестать быть валидным. Есть разные ситуации. Во-первых, вызов malloc мог выделить много памяти, часть которой не используется. После вызова ничего не поменяется и p1 продолжит оставаться валидным. Если же потребовалось перемещение объекта, то p1 может указывать на невалидный адрес (именно это с большой вероятностью и произойдёт в нашем случае). Тогда p1 выведет мусор (или же произойдёт ошибка, если p1 полезет в недоступную память), в то время как p2 выведет старое содержимое p1. В этом случае поведение не определено.
Два указателя на одну область памяти это вообще-то не ошибка. Бывают ситуации, когда без них не обойтись. Но это очередное минное поле для программиста.
Различные аргументы realloc и malloc.
При вызове функции malloc, realloc и calloc с нулевым размером поведение не определено. Это значит, что может быть возвращён как NULL, так и реальный адрес. Им можно пользоваться, но к нему нельзя применять операцию разадресации.
Вызов realloc(NULL, size_t) эквиваленте вызову malloc(size_t).
Однако, вызов realloc(NULL, 0) не эквивалентен вызову malloc(0) 🙂 Понимайте это, как хотите.
Примеры
1. Простое скользящее среднее равно среднему арифметическому функции за период n. Пусть у нас имеется ряд измерений значения функции. Часто эти измерения из-за погрешности «плавают» или на них присутствуют высокочастотные колебания. Мы хотим сгладить ряд, для того, чтобы избавиться от этих помех, или для того, чтобы выявить общий тренд. Самый простой способ: взять n элементов ряда и получить их среднее арифметическое. n в данном случае — это период простого скользящего среднего. Так как мы берём n элементов для нахождения среднего, то в результирующем массиве будет на n чисел меньше.
Пусть есть ряд
1, 4, 4, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 11, 15
Тогда если период среднего будет 3, то мы получим ряд
(1+4+4)/3, (4+4+6)/3, (4+6+7)/3, (6+7+8)/3, (7+8+9)/3, (8+9+11)/3, (9+11+12)/3, (11+12+11)/3, (12+11+15)/3
Видно, что сумма находится в «окне», которое скользит по ряду. Вместо того, чтобы каждый раз в цикле находить сумму, можно найти её для первого периода, а затем вычитать из суммы крайнее левое значение предыдущего периода и прибавлять крайнее правое значение следующего.
Будем запрашивать у пользователя числа и период, а затем создадим новый массив и заполним его средними значениями.
Это простой пример. Большая его часть связана со считыванием данных, вычисление среднего всего в девяти строчках.
2. Сортировка двумерного массива. Самый простой способ сортировки — перевести двумерный массив MxN в одномерный размером M*N, после чего отсортировать одномерный массив, а затем заполнить двумерный массив отсортированными данными. Чтобы не тратить место под новый массив, мы поступим по-другому: если проходить по всем элементам массива k от 0 до M*N, то индексы текущего элемента можно найти следующим образом:
j = k / N;
i = k — j*M;
Заполним массив случайными числами и отсортируем
3. Бином Ньютона. Создадим треугольную матрицу и заполним биномиальными коэффициентами
Если Вы желаете изучать этот материал с преподавателем, советую обратиться к репетитору по информатике
Всё ещё не понятно? – пиши вопросы на ящик