Динамическая память: malloc, free и ошибки памяти

Адресное пространство процесса

Каждый процесс видит собственную виртуальную память. В Linux на x86-64 она устроена примерно так:

Посмотреть реальную карту можно в файле /proc/<pid>/maps (cat /proc/self/maps).

malloc и free

#include <stdlib.h>

int *a = malloc(100 * sizeof(int));     /* 100 int в куче; содержимое — мусор */
if (a == NULL) { perror("malloc"); exit(1); }

int *z = calloc(100, sizeof(int));      /* 100 int, обнулены */
a = realloc(a, 200 * sizeof(int));      /* изменить размер (может переехать!) */

free(a);
free(z);

Откуда malloc берёт память

malloc — функция библиотеки, а не системный вызов. Она просит у ядра большие куски и сама раздаёт их по частям:

1. brk/sbrk — сдвинуть верхнюю границу кучи. Подходит для мелких блоков.
2. mmap(NULL, size, PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_PRIVATE|MAP_ANONYMOUS, -1, 0) — получить новый участок адресного пространства. glibc использует это для больших блоков.

Ядро при этом не выделяет физическую память сразу — только отмечает диапазон адресов как допустимый. Физический кадр появится при первом обращении к странице: процессор не найдёт отображения, произойдёт страничный отказ (page fault), и ядро выделит кадр.

strace -e trace=brk,mmap ./program   # увидеть, как malloc обращается к ядру

Типичные ошибки

/* 1. Утечка: потеряли единственный указатель на блок */
char *p = malloc(100);
p = malloc(200);              /* первый блок больше не освободить */

/* 2. Двойное освобождение — порча структур malloc */
free(p);
free(p);

/* 3. Использование после free (висячий указатель) */
free(p);
p[0] = 'x';

/* 4. Выход за границы блока */
int *a = malloc(10 * sizeof(int));
a[10] = 1;

/* 5. Забыли sizeof */
int *b = malloc(10);          /* 10 байт, а не 10 int! */

Такие ошибки находят инструменты:

gcc -g -fsanitize=address prog.c -o prog && ./prog   # AddressSanitizer
valgrind --leak-check=full ./prog

Итог

• Адресное пространство: код, данные, куча (растёт вверх), mmap-область, стек (растёт вниз).
• malloc/calloc/realloc/free; проверка на NULL; на каждый malloc — один free.
• malloc получает память у ядра через brk и mmap; физические страницы выделяются лениво — при первом обращении.
• Утечки, двойное освобождение, висячие указатели ловят ASan и valgrind.