CSCI3150 L03 User-level Programming via System Calls (Memory)

课程：CSCI3150 Introduction to Operating Systems · 2022未核本讲：L03 User-level Programming via System Calls (Memory) · 原件 L03-系统调用-内存-2022未核.pptx（本地课件） · PDF页码副本（本地课件） p.1–17 定位：分清指针与所指对象，逐种解释内存错误，并能计算字符串和数组实际需要的分配空间。承接：#L01-03 系统调用与库接口

p.1 标题页。

分配对象与取得地址

系统接口与库接口的分工（p.2–4）【延伸 L01 p.5–7】

p.3 OS provides services via System Call (typically a few hundred) to run process, access memory/devices/files, etc.

p.3 The Design Of The Unix Operating System (Maurice Bach, 1986)

p.4 Several system calls

User programming should not directly call them but use memory API (library functions).

课件程序与接口（p.4，原页片段）

#include <unistd.h>

int brk(void *addr)
void *sbrk(intptr_t increment);

课件程序与接口（p.4，原页片段）

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *ptr, size_t length, int port, int flags, int fd, off_t offset)

p.2 再次定位到用户级系统调用层，p.3 的接口图强调内存也是 OS 提供的服务。p.4 列 brk、sbrk 和 mmap，并紧接着要求普通用户程序使用内存库接口。

p.4 User programming should not directly call them but use memory API (library functions).

补充：这是分配器与操作系统的分工：库可以从较大的区域中切出许多小对象，因此一次 malloc 不必对应一次系统调用。brk/sbrk 涉及进程数据区边界，mmap 建立映射；理解本讲时先掌握对象的大小、地址和生命周期，不把所有内存 API 都叫成系统调用。

读懂 p.4 的参数：brk(addr) 中的 addr 是希望设置的数据区边界地址，sbrk(increment) 的参数是边界增量；mmap 列出起始地址提示、映射字节数、保护方式、标志、文件描述符和文件偏移。课件把保护参数拼成 port，常见接口名为 prot；参数名本身不改变 C 函数类型。本讲列出这些接口，是要说明堆分配器背后需要 OS 管理地址空间；它没有要求每次 malloc 都直接进行一次 brk，也没有提供可不加检查就运行的完整分配器实现。

malloc的字节数与sizeof的对象（p.5–6）【新】

p.5 Allocate a memory region on the heap.

Argument

size_t size : size of the memory block(in bytes)

size_t is an unsigned integer type.

Return

Success : a void type pointer to the memory block allocated by malloc

Fail : a null pointer

课件程序与接口（p.5，原页片段）

#include <stdlib.h>

void* malloc(size_t size)

p.6 Routines and macros are utilized for size in malloc instead typing in a number directly.

Two types of results of sizeof with variables

The actual size of ‘x’ is known at run-time.

The actual size of ‘x’ is known at compile-time.

课件程序与接口（p.6，原页片段）

int *x = malloc(10 * sizeof(int));
printf(“%d\n”, sizeof(x));

课件程序与接口（p.6，原页片段）

int x[10];
printf(“%d\n”, sizeof(x));

p.5 的 malloc 参数是字节数，成功返回可用于该区域的指针，失败返回空指针。声明 int *x 只产生一个指针变量；malloc 成功后才获得另一块可放整数的对象存储。它们是两个对象，不能混为一谈。

p.6 比较 int *x=malloc(10*sizeof(int)) 与 int x[10]。前者的 sizeof(x) 问的是指针本身，课件输出4；后者问整个数组，输出40。算一遍：按本页 int=4字节，数组10个元素合计10×4=40字节；指针值所指对象有40字节，指针自身仍只占本例的4字节。64位环境指针可能为8字节，这不会自动把10个4字节整数变成80字节。

已核对原图。讲义以“run-time / compile-time”描述这两例，容易让人误会 sizeof 能查回 malloc 的分配长度；补充：普通指针表达式的 sizeof 由指针类型决定，不追踪其目标分配尺寸。本例关键区别是指针类型与数组类型。打印 size_t 的通用写法使用 %zu，不要把课件 %d 当所有平台均正确的格式。

补充：大小算对之后，还要把合法地址范围算对。 沿本页十个 int 的例子，在 int 为 4 字节的条件下，分配区可用字节偏移是 0–39。x+9 前进九个 int，即 36 字节，解引用得到第十个元素；x+10 指向数组之后的位置，可用于某些边界比较，但不能读取第十一个元素。sizeof(x) 问指针类型，sizeof(*x) 问一个元素类型，10*sizeof(*x) 才表达本次想分配的对象总量。表达式里的星号在这里用于给 sizeof 确定类型，并不是要求先读出一个未初始化的 int。

还应区别“分配失败”和“分配成功后程序越界”：前者没有得到可用区域，应在任何解引用之前走失败分支；后者已经得到区域，却把权限扩张到了申请范围之外。看到崩溃只说 malloc 出错会漏掉这两个完全不同的因果链。

free结束哪一个对象的生命周期（p.7）【新】

p.7 Free a memory region allocated by a call to malloc.

Argument

void *ptr : a pointer to a memory block allocated with malloc

Return

none

课件程序与接口（p.7，原页片段）

#include <stdlib.h>

void free(void* ptr)

free 接收分配所得区域的起始指针，没有返回值。释放结束的是堆对象的使用权，不是把指针变量本身从栈上抹掉。补充：释放后旧指针变量仍可能保留相同数字，但不再授权解引用；把一个别名设为NULL也不能自动清除其他别名。成功分配、合法访问、恰好一次释放，应围绕同一对象配对追踪。

六类常见内存错误

未分配目标与补足终止字节（p.8–10）

课件程序与接口（p.8，原页片段）

char *src = “hello”; //character string constant
char *dst;        //unallocated
strcpy(dst, src);    //segfault and die

课件程序与接口（p.8，原页片段）

strcpy(dst, src);

p.9 Common Error: Forgetting To Allocate Memory(Cont.)

课件程序与接口（p.9，原页片段）

char *src = “hello”;    //character string constant
char *dst (char *)malloc(strlen(src) + 1 ); // allocated
strcpy(dst, src);   //work properly

课件程序与接口（p.10，原页片段）

char *src = “hello”; //character string constant
char *dst (char *)malloc(strlen(src)); // too small
strcpy(dst, src);    //work properly

p.8 的 dst 没有指向已分配的可写存储，就交给 strcpy。strcpy 不替调用者申请空间，它只沿着地址复制，因而“有一个指针变量”不意味着“有一块可写缓冲区”。图中 src 指向 hello，dst 指向未分配区域。

p.9 在堆上申请目标，再复制，使源和目标成为两个不同存储对象。原图中的声明缺少赋值等号；补充：可编译的表达式需要写成 char *dst = malloc(strlen(src)+1);，并检查返回值。本说明只纠正用于理解的语法，不执行原课件代码。

p.10 少申请了末尾终止字节。算一遍：hello 的可见字符5个，strlen返回5；strcpy复制 h、e、l、l、o、终止字节，共6字节。若只申请5字节，合法下标0–4，终止字节却写到下标5，越界1字节。课件称“Incorrect code, but work properly”，意思是一次运行可能看似成功；通行C语义仍是未定义行为，不能把不崩溃当成正确。

图（p.8–10）：字符串复制的三个版本元素：src指向字符串常量；dst先无合法目标，随后指向6字节区域，再对比错误的5字节区域；p.10 标出被遗漏的终止字节。看什么：目标是否存在和目标是否足够大是两道独立检查。

已分配不等于已初始化（p.11）

课件程序与接口（p.11，原页片段）

int *x = (int *)malloc(sizeof(int)); // allocated
printf(“*x = %d\n”, *x); // uninitialized memory access

p.11 Encounter an uninitialized read

本页 malloc 一个 int 后立即打印 *x，没有先给这个整数赋值。malloc 成功只保证取得对象存储，不保证旧内容已经清零。图中特意把以前用过的值留在新分配块里。补充：不应给这个错误程序预测一个固定数；正确的教学动作是先写 *x=0 再读，或在适合的场景使用清零分配。程序第一次运行碰巧读到0，也不能推成接口保证。

泄漏：不用了但未归还（p.12）【新】

p.12 A program runs out of memory and eventually dies.

图中分配块逐渐被标为 unused，新的分配继续累积。内存泄漏的问题是逻辑上不再需要的对象仍占用分配器管理的空间；如果还丢失了所有可用指针，就无法正常定位该对象去释放。它和越界不同：程序可能每一次读写都在边界内，却因长期不归还而耗尽资源。

算一遍（补充；数字是我为演示取的，讲义没给）：每轮申请1024字节且不释放，1000轮后遗留1024000字节，约1000KiB。是否立刻失败取决于资源限制，不能把这个演示数当作本页给定的崩溃阈值。

悬空指针与重复释放（p.13–14）【新】

p.13 Freeing memory before it is finished using

A program accesses to memory with an invalid pointer

课件程序与接口（p.14，原页片段）

int *x = (int *)malloc(sizeof(int)); // allocated
free(x); // free memory
free(x); // free repeatedly

p.13 链式图中，a 指向2KB位置的节点，它的后继为3KB，后继再指向4KB。b也指向3KB。free(b)结束中间节点的生命周期，a所指节点中的后继仍残留3KB，于是沿链访问会经过已释放对象；原来通往4KB节点的链接也不能再作为合法访问路径。

图（p.13）：释放链中节点后的关系元素：2KB、3KB、4KB三个节点；b指向3KB；释放后3KB变为freed，2KB的后继指针成为悬空引用，4KB被标unreachable。看什么：释放对象不会自动修复其他指针和链结构。

p.14 先malloc，随后连续free(x)两次。第一次后x保存的地址已无有效分配可释放，第二次违反生命周期约定。补充：free(NULL)合法并不能挽救这里的错误，因为第一次free不会自动把x改成NULL。若还有其他别名，仅把x清零也不能使那些别名重新有效。

考试角度：（C 级通识）常见考法是分类一段代码属于泄漏、悬空访问、越界还是重复释放，并指出第一个破坏对象生命周期的动作。

补充：用所有权表找第一个非法动作。 所有权不是 C 编译器替你强制的语法，而是“谁负责最终归还这一块存储”的设计约定。下面只演示生命周期，不是课件原程序。

操作	堆对象是否活着	p、q 的关系	可执行什么
p=malloc(8)，成功	是	p 指向新对象	在 8 字节内初始化和访问
q=p	是	两个别名指向同一块	没有多出第二块内存
free(p)	否	两指针数字可能仍保留	不能再用任一别名访问旧对象
p=NULL	否	只清除了 p	q 没有自动变 NULL

如果最后执行 free(q)，它不是“清理另一个指针”，而是对同一分配再次释放。若只执行 q=NULL，则没有重复释放，但也并非 free 的替代：只有在对象已经释放或还有可靠拥有者时，这样丢掉引用才不会造成泄漏。

调试时把“在哪里崩溃”与“第一次破坏约定在哪里”分开。越界写可能先损坏相邻对象，直到后面的 free 才暴露。支持时可在自己的练习程序使用 AddressSanitizer 查越界/释放后使用；工具报出的失败路径是证据，没有报告不等于证明全部输入安全。未初始化读取还需要适合该错误类型的检查，不能假设一个工具覆盖所有六类错误。

把 p.13 的链图修复动作按先后写清（补充）

原图的关系是 a → 2KB 节点 → 3KB 节点 → 4KB 节点，同时 b → 3KB 节点。要删除中间节点，首先需要保住通往后继的合法引用，然后让前驱绕过它，最后才能释放它。下面用 next 表示图中的后继箭头，作为图解伪代码；不是讲义提供的完整 C 结构体程序。

victim = a.next        // 指向仍活着的 3KB 节点
successor = victim.next  // 在释放前读出通往 4KB 的箭头
a.next = successor    // 2KB 现在直接连到 4KB
free(victim)          // 此后不再从 victim 读 next
b = NULL             // 清除这里已知的另一份别名

若先 free 再读 b.next，错误已经发生在读取后继那一步；内存暂时还保留原字节也不使访问合法。若只把 b 设为 NULL 而没有 free，对象仍占空间；若只 free 而不改 a.next，链上仍留着悬空边。三个动作分别维护链的连通性、对象生命周期、已知别名，不能互相替代。还存在其他别名时，也必须按其使用约定处理；这段演示没有自动发现所有指针的能力。

另外两种分配请求

calloc、realloc与接口选择（p.15–17）

p.15 Allocate memory on the heap and set with zero before returning.

Argument

size_t num : number of blocks to allocate

size_t size : size of each block(in bytes)

Return

Success : a void type pointer to the memory block allocated by calloc

Fail : a null pointer

课件程序与接口（p.15，原页片段）

#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t num, size_t size)

p.16 Change the size of memory block.

A pointer returned by realloc may be either the same as ptr or a new.

Argument

void *ptr: Pointer to memory block allocated with malloc, calloc or realloc

size_t size: New size for the memory block(in bytes)

Return

Success: Void type pointer to the memory block

Fail : Null pointer

课件程序与接口（p.16，原页片段）

#include <stdlib.h>

void *realloc(void *ptr, size_t size)

p.17 Functions related to memory allocation

Allocation: malloc()

Free: free()

Allocation & Initialization: calloc()

Re-allocation: realloc()

Next: User-level programming using system calls (file & Directory)

Chapter 39 (Files)

p.15 的calloc把元素数和元素大小分成两个参数，并将获得的存储清零。算一遍（补充；数字是我为演示取的，讲义没给）：calloc(3,4)请求12字节，成功后这12个字节均为0；malloc(12)请求同样字节数，却没有同样的清零保证。

p.16 的realloc改变已分配对象大小，返回地址可能不变，也可能迁移。补充：通常保留旧对象与新对象长度较小者范围内的内容；失败时应保留旧指针，以免把唯一引用覆盖为空。先用临时指针接收返回值，成功才更新拥有者；不能在失败后仍假设扩容成功，也不能在成功移动后继续使用旧别名。零长度参数有特殊语义，不由这页的简单失败模型外推。

p.17 将四种职责收束为分配malloc、释放free、分配并清零calloc、调整尺寸realloc。选接口时先问需要多少字节、是否需要初始化、谁拥有并负责释放；这些问题比“背出函数签名”更能防止错误。

把两组参数展开来看：calloc(num, size) 中 num 是元素个数，size 是每个元素的字节数，返回的是一个连续分配区的起始地址；realloc(ptr, size) 的 ptr 必须对应适用的既有分配，size 表示新的总字节数，不是额外增加多少。两者都返回 void *，失败返回空指针。free 无返回值，不能写成“检查 free 返回 0 再判断成功”。这四个函数的声明均由 <stdlib.h> 提供。

扩容时为什么先保留旧指针（补充，教材通识）

设 p 指向 8 字节，现要扩成 16 字节（自取演示数字）。先写 tmp = realloc(p, 16)：若失败返回 NULL，旧 8 字节仍由 p 拥有，可以继续使用或释放；若成功则通过 tmp 使用新对象，再令 p=tmp。反过来直接 p = realloc(p,16)，一旦失败，唯一的旧地址就被 NULL 覆盖，旧对象仍占空间而程序找不到它。

成功的另一分支同样要检查：若对象移动，旧 q 别名不能继续用；扩出来的后 8 字节也不能自动当成已经初始化。即使返回的地址数值与旧地址相同，也应按 realloc 的新生命周期重新建立可用引用。容量计算本身还要避免乘法溢出：n 个元素各 s 字节，先确认 n 不大于可表示最大大小除以 s，再求 n×s；“malloc 成功”不能补救先前算错的请求尺寸。

自测：malloc(6) 成功后可否立刻把这 6 字节当 C 字符串打印？

不可以。容量足够只说明可写空间存在；还需要在合法范围写入有效字符并放置终止零字节。否则字符串函数会继续查找终止符，可能越过这 6 字节。分配、初始化、使用和释放是四件事。

本讲核心考点

sizeof指针与sizeof数组问的是不同对象（p.6，C 级通识考法）。
字符串分配须计入终止字节，hello需要6字节（p.8–10，C 级通识考法）。
分配、初始化、合法使用、释放是不同动作（p.5–14，C 级通识考法）。
calloc清零，realloc成功后地址可能变化（p.15–16，C 级通识考法）。

附录

本份没有需要移至附录的长推导；计算过程已在对应页正文写全。

来源与证据

原件：L03-系统调用-内存-2022未核.pptx（本地课件）；PDF副本（本地课件） p.1–17。本文页码均为 PDF 页号。
教材：讲末指向下一主题 OSTEP Chapter 39；本讲原件未给当前章节号。
考试证据：读了课程大纲-2026T1.pdf、教学计划-2026T1.pdf、T08-期中参考-2025T2-题目-解答.pdf、T07-多级反馈队列-2025T2.pdf（p.13–15内嵌历史试题）；未识别用途的 PDF：无
2026-10-13 内容补全：保留原页顺序与版本，补入对应页的程序、接口、字段、条件和演算；原程序片段保留课件行号、拼写与省略处，不能据此视为经过编译的完整软件。本文已有运行记录属于其标注日期，本次未重新运行课程容器或提交作业。