Как оператор free понимает, сколько памяти освободить

1️⃣ Как кратко ответить

Оператор free в C++ освобождает память, выделенную с помощью malloc, calloc или realloc. Он не требует указания размера, так как информация о размере выделенной памяти хранится в метаданных, которые аллокатор добавляет перед возвращаемым указателем.

2️⃣ Подробное объяснение темы

Когда в C++ используется динамическое выделение памяти, например, с помощью функций malloc, calloc или realloc, система управления памятью (аллокатор) выделяет блок памяти и возвращает указатель на начало этого блока. Однако, чтобы эффективно управлять памятью, аллокатору необходимо знать размер каждого выделенного блока, чтобы его можно было правильно освободить позже.

Как это работает

1. Метаданные перед блоком памяти:

   • Аллокатор добавляет метаданные перед фактическим блоком памяти, который возвращается пользователю. Эти метаданные содержат информацию о размере выделенного блока.
   • Когда пользователь вызывает free, аллокатор использует указатель, чтобы найти метаданные, и извлекает из них размер блока, который нужно освободить.

2. Структура метаданных:

   • Метаданные могут включать не только размер блока, но и другую информацию, такую как флаги состояния блока (например, свободен или занят).
   • Структура метаданных зависит от конкретной реализации аллокатора и может варьироваться между различными системами и библиотеками.

3. Пример работы:

   • Рассмотрим упрощенный пример, как это может быть реализовано:

#include <cstdlib>
#include <iostream>
​
// Упрощенная структура метаданных
struct BlockHeader {
    size_t size; // Размер выделенного блока
};
​
// Функция для выделения памяти с добавлением метаданных
void* my_malloc(size_t size) {
    // Выделяем память для метаданных и запрашиваемого размера
    BlockHeader* header = (BlockHeader*)std::malloc(size + sizeof(BlockHeader));
    if (!header) return nullptr;
​
    // Записываем размер в метаданные
    header->size = size;
​
    // Возвращаем указатель на память после метаданных
    return (void*)(header + 1);
}
​
// Функция для освобождения памяти
void my_free(void* ptr) {
    if (!ptr) return;
​
    // Получаем указатель на метаданные
    BlockHeader* header = (BlockHeader*)ptr - 1;
​
    // Используем размер из метаданных для освобождения памяти
    std::free(header);
}
​
int main() {
    // Пример использования
    void* ptr = my_malloc(100); // Запрашиваем 100 байт
    if (ptr) {
        std::cout << "Memory allocated\n";
        my_free(ptr); // Освобождаем память
        std::cout << "Memory freed\n";
    }
    return 0;
}

• Выделение памяти (my_malloc):

  • Выделяется память, достаточная для хранения как метаданных, так и запрашиваемого размера.
  • Метаданные записываются перед фактическим блоком памяти, который возвращается пользователю.

• Освобождение памяти (my_free):

  • Указатель, переданный в my_free, используется для получения адреса метаданных.
  • Из метаданных извлекается информация о размере, и память освобождается.

Зачем это нужно

• Эффективное управление памятью: Хранение информации о размере позволяет аллокатору эффективно управлять памятью, освобождая ровно столько, сколько было выделено.
• Безопасность и стабильность: Неправильное освобождение памяти может привести к утечкам памяти или повреждению данных. Метаданные помогают избежать таких ошибок.

Таким образом, free не требует от пользователя указания размера, так как эта информация уже хранится в метаданных, добавленных аллокатором. Это делает управление памятью более простым и безопасным для разработчика.