C言語 - free関数の仕組み

Question

疑問に思っている点

c言語のfree関数の動作の仕方

該当のソースコード

int main(void) {     
     int *heap;
     heap = (int *)malloc(256);
     *heap = 123;
     printf("%d\n",*heap);
     free(heap);
     printf("%d\n",*heap);
     return 0;
 }

###実行結果
123
123

###質問内容
なぜfree関数で開放した後でも値が出るのでしょうか。
まだ勉強し始めて間もない初心者なので詳しく教えていただけると助かります。
よろしくお願いします。

Answer 1

"たまたま"です。

そもそもfreeした領域を読み出すことに意味はない。
もう"要らない"からfreeしたんでしょ?
ソコの値がどうであれ気にすることじゃない。

Comments

[Tia_66]

値が残っていると無駄なメモリが消費されているのではないか、と思ったからです。
大きなプロジェクトになるとこの部分などが原因で動作が重くなるのではないかと思いました。

[episteme]

心配に及ばず。必要に応じて再利用されますから。

[gm300]

開放しても、物理的なRAMが無くなるわけじゃないので。
駐車場を借りて、返しても、その土地がなくなるわけじゃない。見えるだけではなく、自分のものじゃなくても車止めることもできる。

[Tia_66]

再利用されるのですね
なるほど
理解できました
ありがとうございました

Answer 2

解放したと言うことは、「以降のmallocで割り当て可能な領域」として登録されること。それだけでそこの値はいちいち消去されないためです。

Comments

[Tia_66]

上書き可能な状態にした、というような捉え方でいいのでしょうか？

[a_saitoh]

あなたの使用したfreeがそういう実装になっている考えてもらって構いません。ただ、「次のmallocで割り当てられ使われるまでは以前の内容が残っている」が保証されているわけではありません。

[Tia_66]

なるほど
理解できました
ありがとうございました！

Answer 3

偶然あなたの使っているCライブラリの実装がそうなっているだけです。

freeは、渡されたアドレスがmalloc/realloc/callocで割り当てられたアドレスである場合その後の割当に使用できるようにします。
が、
mallocは、freeで解放されたアドレスを使いまわすとはなっていません。

よって、怠惰で富豪なfreeは何もしません。
故意か偶然かは知りませんが、解放後にメモリアクセスをしてしまうバグで予想外の事にはなりづらいです。

ちゃんとメモリをクリアして割当てた領域外への書き込みをしていた形跡がないかまで検査する実装もあります。

自分でmalloc/freeっぽいのを実装して使い回しを行い、メモリクリアを行わなかったせいで大問題になった例もあります。

Comments

[Tia_66]

環境によって異なるのですね。
使うかもしれないし使わないかもしれないということですかね。
ご丁寧な回答ありがとうございました。

Answer 4

適当に確保する量を増やしてみます。

int main(void) {
     int *heap;
     heap = (int *)malloc(256*1024*1024);
     *heap = 123;
     printf("%d\n",*heap);
     free(heap);
     printf("%d\n",*heap);
     return 0;
}

256MB確保・解放すると私の手元の環境(CentOS7 gcc4.8.5)では

[vagrant@localhost ~]$ ./a.out
123
Segmentation fault

と読み取りに失敗しました。
大きなメモリを確保する際に内部の確保済みメモリを使わずにOSからメモリを受取り
解放時にはそのままOSへ返却する実装は多いと予測できます

Comments

[Tia_66]

別環境での実行結果を知ることができて良かったです。
ありがとうございました。

[rubato6809]

別環境の実行結果ということなら、gcc 5.4.0 の実行結果をお見せします。
$ ./a.out
123
-1499264136

質問者と同じ256バイトのメモリをmalloc(), free()しました。メモリは無くなりませんが、free()しただけでメモリの値が上書きされたことを示しています。free()の実装が違うからでしょう。free()したが最後、そのメモリは「他のプログラム・他の関数が、他の用途に使うもの」になるのです。free()後も123が表示できたのは、
・メモリが無くならない
・メモリが上書きされていない
という条件が重なった、たまたま運が良かった場合に限るわけです。

[rubato6809]

（何故か同じコメントが投稿されてしまったので、削除します）

[rubato6809]

（これも削除）

[Tia_66]

理解できました！
ありがとうございました

Answer 5

freeは確保されたメモリブロックを解放するだけで、初期化などは行わないためです。

Comments

[Tia_66]

メモリの確保<->開放の関係なのですね。
ご回答ありがとうございました。

Answer 6

メモリの確保、開放、といってもそのエリアをメモリ管理機構（？）に登録するか登録解除するか、だけの話でしかないです。
登録解除するときに、わざわざそのエリアをクリアするわけでもないので、解除直後はデータはそのまま残ったままです。
が、そのデータはいつ破壊されても文句は言えないってことですねー

Comments

[Tia_66]

メモリの確保<->開放なんですね。
値の登録<->解除のような捉え方をしていました。
丁寧なご回答ありがとうございました。
助かりました。

Answer 7

解放されたからといっても、古い値が残っていることはあり得ます。また、C言語の仕様上「未定義の状態」となったからといってエラー停止するとも限りません。「バグの結果、意図通りの動作をする」ということも実際はかなりあります（大抵、後になってから大騒ぎする）

自分の場合**「free後は直ちに当該ポインタ変数にNULLを代入する」**と心がけています。

Comments

[Tia_66]

なるほど。
これがバグ等の原因にもなり得るのですね。
NULLの代入の大切さがわかりました。
今後はNULLの代入を心がけようと思います。
ご回答ありがとうございました。

[Tia_66]

続けてすみません。
もしNULLを代入する場合
int *heap;
heap = (int *)malloc(256);
*heap = 123;
free(heap);
*heap = NULL;
このような記述でいいのでしょうか？

[episteme]

一旦freeしたらそこ(*heap)に書き込んじゃダメ。
正しくは free(heap)のあと heap = NULL;

[Tia_66]

なるほど
理解できました！
ありがとうございました

Answer 8

有名な例え話ですが。

1,あなたはホテルで部屋を借りました。 (malloc)
2,あなたはベッドサイドテーブルの一番上の引き出しに本を置き、眠ります。
3,あなたは翌朝チェックアウト(free)しますが、部屋の鍵(ポインタ)を返却するのを忘れてしまいます。
4,一週間後、部屋の鍵があったので、ホテルの部屋に忘れ物(本)を取りに行きました。
5,ホテルの部屋を鍵で開けるとまだ清掃されていなのか、忘れ物が残ってました。

要点は1点
チェックアウト(free)したあとに部屋の鍵(ポインタ)を使ってはいけません。

Comments

[Tia_66]

なるほど。
使える場合もあるがバグ等を考えた場合使うべきではない、ということですね。
わかり易い回答ありがとうございました。