C语言动态数组内存释放原理及相关异常、分配规则问询

先看示例代码：

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

int main(){

    int * ptr = (int*)malloc(sizeof(int)*100); // Allocated space for 100 integers

    // Some code

    free(ptr); // Calling free with ptr as argument

    return 0;
}

问题1：为何调用free(ptr)能释放本案例中的全部400字节？ptr仅存储内存中一个字节的地址，且未传入数组大小参数，它是如何释放所有字节的？ #

malloc在分配内存时，会在返回给你的指针指向的内存区域前方（或是内部关联的管理区域）额外存储这块内存的元数据，其中就包含分配的总大小。你拿到的ptr其实是跳过了管理元数据的用户数据区起始地址，当调用free(ptr)时，系统会通过ptr反向找到对应的元数据块，从中读取内存总大小，然后把整个内存块标记为空闲，完成释放。所以不需要你手动传大小，系统自己已经记录好了。

问题2：若执行以下操作会发生什么？ #

ptr++;
free(ptr);

这属于C语言标准里的未定义行为。free函数要求传入的指针必须是malloc、calloc或realloc返回的原始指针，或者是NULL。当你执行ptr++后，指针指向的已经不是原分配块的起始地址，free找不到对应的管理元数据，可能直接触发程序崩溃，也可能破坏堆的内存管理结构，导致后续内存操作出现莫名错误（比如内存泄漏、数据损坏、随机崩溃），具体结果完全不可预测，绝对不能这么写。

问题3：既然无法通过指针获取堆上数组的大小，为何malloc()不会在之前数组的中间位置分配新的堆内存？ #

堆内存的管理是基于内存块的，每个通过malloc分配出去的内存块都会被标记为“已占用”状态。malloc分配新内存时，只会在未被标记为占用的连续空闲块中寻找合适空间。之前的数组是一个完整的已占用块，整个块都处于被占用状态，所以malloc不会拆分已占用的块来分配新内存——除非你用realloc主动调整这块内存的大小，否则已占用块会保持完整，不会被中间插入新的分配。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Adi bhai