终止程序是否以与free（）相同的方式回收内存？

Question

我看到this answer写了一个堆栈溢出问题，说在c程序的最后释放内存实际上是有害的，因为它将不会再次使用的变量移动到系统内存中。

我很困惑，为什么C中的free（）方法会比在程序结束时回收堆的操作系统做任何不同的事情。

有没有人知道在内存管理方面free（）和终止之间是否存在真正的区别？如果是这样，操作系统如何区别对待这两者？

EG

这两个短节目会发生什么不同吗？

void main() {
    int* mem = malloc(1);
    return 0;
}

void main() {
    int* mem = malloc(1);
    free(mem);
    return 0;
}

Answer 1

不，像exit或abort一样，终止程序不会像free那样回收记忆。当操作系统丢弃由free和malloc维护的数据时，使用free会导致一些最终无效的活动。

exit有一些复杂性，因为它不会立即终止该计划。现在，让我们考虑一下立即终止程序的效果，并考虑以后的并发症。

在通用多用户操作系统中，当进程终止时，操作系统释放其用于其他目的的内存.1在很大程度上，这仅仅意味着操作系统执行一些记帐操作。

相反，当你调用free时，程序中的软件会运行，它必须查找你正在释放的内存大小，然后将有关该内存的信息插入到它正在维护的内存池中。可能有数千或数万（或更多）此类分配。一个释放其所有数据的程序可能必须执行数千次调用free。然而，最后，当程序退出时，free产生的所有更改都将消失，因为操作系统将丢弃有关该内存池的所有数据 - 所有数据都在内存页中，操作系统无法保留。

因此，在这方面，the answer you link to是正确的，称free是一种浪费。并且，正如它所指出的那样，必须遍历程序中的所有数据结构以获取它们中的指针，以便它们指向的内存可以被释放，从而导致所有这些数据结构在被换出时被读入内存到磁盘。对于大型程序，可能需要相当长的时间和其他资源。

另一方面，目前尚不清楚很容易避免多次调用free。这是因为释放内存不是终止程序必须清理的唯一内容。程序可能希望将最终数据写入文件或将最终消息发送到网络连接。此外，程序可能没有直接建立所有这些上下文。大多数大型程序都依赖于软件层，每个软件包都可能已经建立了自己的上下文，并且通常无法告诉其他软件“我想立即退出。完成有价值的上下文，但跳过所有释放内存。“因此，所有期望的清理任务可能与自由内存任务交织在一起，并且可能没有好的方法来解开它们。

通常应编写软件，以便在程序突然中止时不会发生任何可怕的事情（因为这可能是由于断电而不仅仅是故意的用户操作）。但即使一个程序可能能够容忍中止，在优雅的退出中仍然有价值。

回到exit，调用C exit例程并不会立即退出程序。调用退出处理程序（使用atexit注册），刷新流缓冲区，并关闭流。您调用的任何软件库可能已经设置了自己的退出处理程序，以便在程序退出时可以完成。所以，如果你想确保你的程序中使用的库在你结束程序时没有调用free，你必须调用abort，而不是exit。但通常优先的是优雅地结束程序，而不是通过中止。调用abort不会调用退出处理程序，刷新流，关闭流，或执行exit执行的其他减少代码 - 当程序调用abort时数据可能会丢失。

脚注

1释放内存并不意味着它可立即用于其他目的。具体结果取决于每页内存。例如：

• 如果内存与其他进程共享，则它们仍然需要它们，因此通过此进程释放它只会减少使用内存的进程数。它不能立即用于任何其他用途。
• 如果内存未被任何其他进程使用但包含从磁盘上的文件映射的数据，则操作系统可能会在需要时将其标记为可用，但暂时不管它。这是因为您可能会再次运行相同的程序，如果数据仍然在内存中会很好，那么为什么不将它留在原位以防万一呢？甚至可以由使用相同文件的其他程序使用该数据。 （例如，许多程序可能使用相同的共享库。）
• 如果内存未被任何其他进程使用，并且程序仅将其用作工作区，而不是从文件映射，则系统可将其标记为立即可用且不包含任何有用的内容。

Answer 2

这两个短节目会发生什么不同吗？

简单的答案是：它没有区别，在两种情况下都会将内存释放到系统中。调用free()并不是绝对必要的，并且会产生无限小的开销，但在尝试跟踪更复杂程序中的内存泄漏时可能会有用。

终止程序是否以与free相同的方式回收内存？

不完全是：

• 终止程序会释放程序使用的内存，无论是程序代码，数据，堆栈还是堆。它还会释放一些其他资源，例如文件句柄，设备句柄，网络套接字......无论使用malloc()分配了多少块内存，所有这些都可以高效完成。
• 相反，free()使程序块可以进一步用于以后调用malloc()或realloc()。根据其大小和堆的实现，此释放的块可能会也可能不会返回到OS以供其他程序使用。还值得注意的是碎片问题，其中小块的释放内存可能无法用于更大的分配，因为它们被分配的块包围。 C堆不执行打包或解碎，它只是合并相邻的空闲块。在离开程序之前释放所有分配的块可能对于调试目的是有用的，但可能是复杂且耗时的，而在程序终止之后系统不需要重用存储器。

Answer 3

free()是用户级内存管理功能，取决于您当前使用的malloc实现。用户级分配器可能维护内存块的链接列表，malloc / free将采用适当大小的块/将其放回。

exit()销毁地址空间和所有地区。这与malloced堆以及用于管理进程地址空间的其他一些区域和内核数据结构有关：

每个地址空间由正在使用的许多页面对齐的内存区域组成。它们从不重叠并代表一组地址，这些地址包含在保护和目的方面彼此相关的页面。这些区域由struct vm_area_struct表示，大致类似于BSD中的vm_map_entry结构。为清楚起见，区域可以表示与malloc（）一起使用的进程堆，内存映射文件（如共享库）或使用mmap（）分配的匿名内存块。该区域的页面可能仍然需要分配，活动和驻留或已被分页

参考：https://www.kernel.org/doc/gorman/html/understand/understand007.html

Answer 4

精心设计的程序在退出时释放内存的原因是检查内存泄漏。如果在上次重新分配后应用程序级内存分配没有变为零，则表示您的内存未正确管理，并且代码中可能存在内存泄漏。

这两个短节目会发生什么不同吗？

是

我很困惑，为什么C中的free（）方法会比在程序结束时回收堆的操作系统做任何不同的事情。

操作系统在页面中分配内存。堆管理器（例如malloc / free实现）从操作系统分配页面并将页面细分为较小的分配。调用free（）通常会将内存返回堆中。它们不会将页面返回到操作系统。