> он просто объявляет системе, что область памяти по определенному адресу определенного размера можно снова считать свободной.

На практике, даже не системе. Обычно, для производительности, реализации malloc'а запрашивают у ОС память не маленькими кусками, даже если запрошен 1 байт. ЧТо бы не гонять каждый последующий раз к ядру за доп.памятью, следующие вызовы malloc берут её из этого же куска, вообще без обращения к ядру. Ну и free поэтому, и не только, не возвращает весь кусок ОС. Т.к. его часть может ещё использоваться и, даже если не так, то она может вот-вот пригодиться при следующем malloc. Поэтому, если в работе программы обычное дело это набирание кучи памяти, которая потом не нужна, её можно просто перезапускать с помощью execve() какого-нибудь раз в сутки или вроде того для того, что бы неиспользуемая память на самом деле вернулась к ОС.