C++面试八股文：聊一聊指针？

某日二师兄参加XXX科技公司的C++工程师开发岗位第17面：

面试官：聊一聊指针？

二师兄：好的。

面试官：你觉得指针本质上是什么？

二师兄：这要从内存地址开始说起了。如果有一块容量是1G的内存，假设它的地址是从0x00000000 到0x3fffffff，每一个字节都对应一个地址。当我们声明一个变量并初始化它时：

int a = 42;

二师兄：操作系统会分配一块容量为4(sizeof(int))的地址，这块内存的首地址是0x00001000（假设），结束地址是0x00001003，在申请的这4个字节上放入42。当我们对这个变量取地址时，

int a = 42;
int* p = &a;

二师兄：操作系统会再分配一块内存，这块内存的大小是sizeof(int*)，这块内存的起始地址是0x00002000（假设），结束地址是0x00002003（32位操作系统），然后将&a取到的起始地址0x00001000放入0x00002000-0x00002003中。并将刚分配的这块内存的起始地址赋给p。

二师兄：当我们对p操作时，是对0x00002000-0x00002003这块内存操作，当我们对*p(解引用)操作时，是对0x00001000-0x00001003这块内存操作。

二师兄：回到问题，我觉得指针的本质就是内存地址。虽然指针指向一块内存地址，但它同时也是一个变量，也可以对指针取地址。如果对指针取地址，同样可以得到一个内存地址（如0x00002000）,如果把这个内存地址存起来，那么指向这个内存地址的变量的类型就是二级指针（int**）。

面试官：好的。在0x00002000-0x00002003这块内存中，我们放入了一个地址是0x00001000，但是并没有这个地址的长度。只知道一个地址而不知道长度，怎么能把数据取出来？

二师兄：这主要是因为p的类型是int*，当对p解引用时，编译器知道了解引用的结果是int类型，所以从0x00001000往后读取4个字节（sizeof(int)），并按照当前CPU的模式（考虑大小端）把这四个字节组成一个int类型的变量。

面试官：malloc函数你知道吧，返回的类型是void*，在free的时候怎么知道这块内存的大小的呢？

二师兄：额。。这个还不太清楚。。

面试官：没关系，今天就到这里，回去等通知吧。

让我们来看看让二师兄折戟的这个问题：

malloc函数返回的类型是void*，在free的时候怎么知道这块内存的大小的呢？

这里牵扯到malloc和free的实现方式，不同的厂商实现的方式不尽相同。以ptmalloc为例，当使用malloc申请size = 16的内存时，malloc会从内存池中分配一块sizeof(chunk)+16长度的内存。chunk段保存了一些前后chunk的信息，也保存了这块内存的大小（16）。malloc函数返回的地址是0x00001000，而在free(0x00001000)时，free函数会用0x00001000减去特定值（sizeof(chunk)），得到chunk的起始地址，从chunk中获取这块内存真正的尺寸，从而完成free的任务。抛开内存的利用率不说，这是一个非常美妙的实现！