C 语言 malloc 与 free
更新时间：2026-08-26。本文是
languages/c/主题入门层第 51 篇。上一讲说了堆是"仓库"，这一讲学两个核心操作：malloc申请、free释放。一句话的 API 背后是三个经典大坑——泄漏、悬垂、双重释放。本文把它们一次讲透。
本文要回答的问题
malloc到底要传多大？为什么总是sizeof？- 分配失败会怎样？要不要判空？
free的规则是什么？三大坑分别是什么？
一、malloc：申请内存
#include <stdlib.h>
int *p = malloc(100 * sizeof(int)); // 100 个 int 的空间三个要点：
- 参数是字节数，不是元素个数。
100个int需要100 * sizeof(int)字节； - 返回
void *，C 里可以隐式转换给任意指针类型； - 返回的内存未初始化，内容是垃圾值，用之前要赋值（想要清零用
calloc，见下一讲）。
正确写法永远带上 sizeof：
// ✅ 正确：类型和元素个数都明确
struct Student *arr = malloc(n * sizeof(struct Student));
// ❌ 错误：假设 int 是 4 字节（在 16 位/64 位平台上翻车）
int *arr = malloc(n * 4);二、判空：malloc 可能失败
malloc 失败返回 NULL，不判空直接解引用就是空指针崩溃：
int *p = malloc(1024 * 1024 * 100);
if (p == NULL) {
fprintf(stderr, "malloc failed\n");
return 1; // 或走错误处理
}规则：申请了就判空；判空了再使用。尤其是大块申请，必须检查。
三、free：释放内存
free(p); // 把内存还给堆
p = NULL; // 顺手置空，防止悬垂free 三条铁律：
| 规则 | 违反后果 |
|---|---|
| 只能 free 自己 malloc 出来的 | 非法 free → 崩溃/UB |
| 只能 free 一次 | 双重释放（double free）→ 崩溃 |
| free 后不再使用 | 悬垂指针（use-after-free）→ 数据错乱 |
free 一个栈变量（int x; free(&x);）、free 同一块两次、free 后继续 p[0] = 1——都是未定义行为，ASan 一抓一个准。
四、三大坑逐一拆解
1. 内存泄漏（memory leak）：申请了不释放。
void process(int n) {
int *tmp = malloc(n * sizeof(int));
// ... 忘了 free(tmp)
}函数调用方拿到结果后，那块内存再也没人管。服务长期运行会持续吃掉内存。
2. 悬垂指针（dangling pointer）：释放了还在用。
int *p = malloc(10 * sizeof(int));
free(p);
*p = 42; // ❌ use-after-free！free 只是"标记可复用"，内存内容还在，但可能随时被下一次 malloc 覆盖——所以 bug 会"间歇性出现"，特别难查。
3. 双重释放（double free）：free 了两次。
free(p);
free(p); // ❌ double freeglibc 会检测到并直接 abort，报 free(): double free detected in tcache 2。
统一对策：free 后立刻 p = NULL;——置空后第二次 free 是 no-op（free(NULL) 合法），悬垂访问也变成确定性的空指针崩溃，好查多了。
五、谁分配谁释放：所有权约定
多函数协作时，内存的"所有权"要明确。两种常见约定：
// 约定 1：调用方分配，函数只填
void fill(int *buf, size_t n) { /* 填充 */ }
int buf[64];
fill(buf, 64); // 调用方管
// 约定 2：函数分配，调用方负责释放
char *read_line(void) {
char *s = malloc(128);
if (s == NULL) return NULL;
fgets(s, 128, stdin);
return s; // 文档写明：调用方 free
}
char *line = read_line();
/* ... */
free(line); // 按约定释放工程上常见规则：谁 malloc 谁 free；文档里写清楚"返回值需调用方释放"。
六、malloc 内部发生了什么（一览）
malloc(100) 不是每次找内核要 100 字节，而是：
- 从 glibc 的空闲链表里找一块大小合适的空闲块；
- 没有就把大块拆小 / 用
sbrk或mmap向内核要更多堆内存； - 返回块首地址，块头记录大小，供 free 时归还。
所以 malloc 并不慢到无法接受，但频繁小分配有开销——这正是内存池、对象复用等高级话题的动机。
七、常见坑对照
| 坑 | 现象 | 对策 |
|---|---|---|
| 忘判空 | 解引用 NULL 崩溃 | malloc 后必判空 |
| 忘 free | 泄漏，内存持续增长 | 谁分配谁释放 |
| free 后用 | use-after-free 间歇 bug | free 后置 NULL |
| free 两次 | abort: double free | 置 NULL + 只释放一次 |
| free 栈/静态变量 | 崩溃/UB | 只 free malloc 来的 |
| 字节数写错 | 越界写坏相邻块 | 用 sizeof 计算 |
八、与本站主线衔接
- 想要清零的分配、要扩容的分配，见calloc 与 realloc；
- 堆上动态数组的完整实现，见动态数组；
- 段错误的系统级原因，见段错误与 core dump；
- 用工具抓内存问题，见ASan 内存检测 与 Valgrind 内存检测。
一句话总结
malloc(字节数) 在堆上申请内存、失败返回 NULL 必须判空；free(p) 释放且只能释放一次、释放后置 NULL；三大坑——泄漏（忘 free）、悬垂（free 后用）、双释（free 两次）——用"谁分配谁释放 + 置空 + 检测工具"来防——堆内存是借来的东西，借了要还，还了别再碰。