面试题：C语言中free函数使用注意事项

Question

在C语言中使用free函数释放动态内存，请说明至少三个使用free函数时需要注意的关键要点，并举例说明如果不注意这些要点可能会导致什么问题。

Answer 1

1. 释放已释放的指针
   • 要点：避免对已经释放的指针再次调用free。一旦内存被释放，指针所指向的内存区域已归还给系统，再次释放会导致未定义行为。
   • 举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int));
    if (ptr == NULL) {
        perror("malloc");
        return 1;
    }
    free(ptr);
    free(ptr); // 再次释放已释放的指针，这是错误的
    return 0;
}

• 可能导致的问题：这可能会破坏堆内存管理结构，导致程序崩溃，或者产生难以调试的逻辑错误。

2. 释放非动态分配的内存
   • 要点：free只能用于释放通过malloc、calloc或realloc分配的动态内存。不能释放栈上的变量或其他非动态分配的内存。
   • 举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int num = 10;
    int *ptr = &num;
    free(ptr); // 试图释放栈上变量的地址，这是错误的
    return 0;
}

• 可能导致的问题：这同样会导致未定义行为，可能破坏内存结构，导致程序崩溃。

3. 未初始化指针的释放
   • 要点：确保在调用free之前，指针已经正确初始化并指向动态分配的内存。如果指针是未初始化的，free不知道要释放哪里的内存，会导致未定义行为。
   • 举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int *ptr;
    free(ptr); // 释放未初始化的指针，这是错误的
    return 0;
}

• 可能导致的问题：可能会释放任意内存位置，破坏其他数据或程序的内存布局，导致程序崩溃或出现逻辑错误。

4. 释放不完全
   • 要点：对于多维数组或链表等复杂数据结构动态分配的内存，要确保释放所有相关的动态内存块。
   • 举例：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main() {
    int **matrix = (int **)malloc(3 * sizeof(int *));
    for (int i = 0; i < 3; i++) {
        matrix[i] = (int *)malloc(3 * sizeof(int));
    }
    free(matrix); // 只释放了外层指针数组，内层数组的内存未释放，这是错误的
    return 0;
}

• 可能导致的问题：这会导致内存泄漏，随着程序运行，未释放的内存会不断积累，最终耗尽系统内存资源。