malloc（）和free（）如何工作？
我想知道如何malloc和free工作。
int main() {
unsigned char *p = (unsigned char*)malloc(4*sizeof(unsigned char));
memset(p,0,4);
strcpy((char*)p,"abcdabcd"); // **deliberately storing 8bytes**
cout << p;
free(p); // Obvious Crash, but I need how it works and why crash.
cout << p;
return 0;
}
如果答案在内存层面上是深入的，如果可能的话，我会很感激。
好的，关于malloc的一些答案已经发布。
更有趣的部分是自由作品 （在这个方向上，malloc也可以更好地理解）。
在许多malloc / free实现中，free一般不会将内存返回给操作系统（或者至少在极少数情况下）。 原因是你会在你的堆中留下空隙，因此可能会发生，你刚刚完成了2或4 GB的虚拟内存与空白。 这应该避免，因为一旦虚拟内存完成，你将会遇到非常大的麻烦。 另一个原因是，操作系统只能处理特定大小和对齐的内存块。 具体而言：通常操作系统只能处理虚拟内存管理器可以处理的块（最常见的是512字节的倍数，例如4KB）。
因此，返回40字节的操作系统将无法正常工作。 那么免费做什么？
自由将把内存块放在它自己的空闲块列表中。 通常它也会尝试将地址空间中的相邻块融合在一起。 空闲块列表只是一个内存块的循环列表，它在开始时有一些管理数据。 这也是为什么使用标准malloc / free管理非常小的内存元素效率不高的原因。 每个内存块都需要额外的数据，更小的尺寸会发生更多的碎片。
free-list也是malloc在需要一块新内存时的首要位置。 它在从OS调用新内存之前进行扫描。 当发现大于所需内存的块时，它被分成两部分。 一个返回给调用者，另一个退回到空闲列表中。
对这种标准行为有许多不同的优化（例如对于小块内存）。 但是由于malloc和free必须如此普遍，所以当替代品不可用时，标准行为始终是回退。 在处理自由列表时也有优化 - 例如将大块存储在按大小排序的列表中。 但是，所有优化也有其自身的局限性。
为什么你的代码崩溃了：
原因在于，通过将9个字符（不要忘记尾随空字节）放入一个大小为4个字符的区域，您可能会覆盖为位于数据块“后面”的另一块内存而存储的管理数据（因为这些数据通常存储在内存块的“前面”）。 当空闲时，然后尝试将你的块放入空闲列表中，它可以触摸这个管理数据，并因此碰到覆盖指针。 这会使系统崩溃。
这是一种相当优美的行为。 我还看到了一些情况，指向某处的失控指针覆盖了无内存列表中的数据，系统并未立即崩溃，而是稍后再执行一些子例程。 即使在一个中等复杂的系统中，这些问题真的很难调试！ 在我涉及的一个案例中，我们（一大批开发人员）花了好几天的时间来找出崩溃的原因 - 因为它与内存转储指出的位置完全不同。 它就像一颗定时炸弹。 你知道，你的下一个“免费”或“malloc”会崩溃，但你不知道为什么！
这些是最糟糕的C / C ++问题，也是指针可能如此问题的一个原因。
正如aluser在这个论坛主题中所说：
你的进程有一个从地址x到地址y的内存区域，称为堆。 你所有的malloc'd数据都在这个区域。 malloc（）保留一些数据结构，让我们说一个堆中空闲空间块的列表。 当你调用malloc的时候，它通过列表查找一个足够大的块，返回一个指向它的块，并记录它不再是空闲的以及它有多大的事实。 当你用相同的指针调用free（）时，free（）会查找该块的大小，并将其添加回空闲块（）的列表中。 如果你调用malloc（）并且它在堆中找不到足够大的块，它使用brk（）系统调用来增加堆，即增加地址y并导致旧y和新y之间的所有地址成为有效的记忆。 brk（）必须是系统调用; 没有办法从用户空间完全做同样的事情。
malloc（）依赖于系统/编译器，因此很难给出具体的答案。 然而基本上它确实记录了它被分配的内存，并且取决于它如何执行，所以你的免费通话可能会失败或成功。
malloc() and free() don't work the same way on every O/S.
malloc / free的一个实现执行以下操作：