glibc（ptmalloc）内存暴增问题解决

直接上代码：

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

int main()
{
    int alloc_time = 4000;
    char *a[alloc_time];
    char *b[alloc_time];

    int i, j;
    for(i=0; i<alloc_time; i++)
    {
        a[i] = (char *)malloc(52722);
        memset(a[i], 1, 52722);
        b[i] = (char *)malloc(1);
        memset(b[i], 1, 1);
    }
    printf("malloc finished\n");
    for(i=alloc_time-1; i>=0; i--)
    {
        free(a[i]);
        free(b[i]);
    }
    printf("free finished\n");
    //char *p = (char *)malloc(2000);
    //free(p);

    while(1){
        sleep(3);
    }
}

运行这个测试程序，发现Glibc内存暴增，程序已经把内存返回给了Glibc库，但Glibc库却没有把内存归还给操作系统。

分析：

ptmalloc使用chunk结构来实现内存管理。用户free掉的内存并不是都会马上归还给系统，ptmalloc会统一管理heap和mmap映射区域中的空闲chunk。当用户进行下一次分配请求时，ptmalloc会首先试图在空闲的chunk中挑选一块给用户，这样就避免了频繁的系统调用，降低了内存分配的开销。对于空闲的chunk，ptmalloc采用分箱式内存管理方式，根据空闲chunk的大小和处于的状态将其放在三个不同的容器中。

bins：ptmalloc将相似大小的chunk用双向链表链接起来，这样的一个链表被称为一个bin。bins有128个队列，前64个队列是定长的（small bins），每隔8个字节大小的块分配在一个队列，后面的64个队列是不定长的（large bins），就是在一个范围长度的都分配在一个队列中。所有长度小于512字节的都分配在定长的队列中，后面的64个队列是变长的队列，每个队列中的chunk都是从大到小排列的。

 unsort队列（只有一个队列），它是一个cache，所有free下来的如果要进入bins队列中都要经过unsort队列，分配内存时会查看unsorted bin中是否有合适的chunk，如果找到满足条件的chunk，则直接返回给用户，否则将unsorted bin中所有chunk放入bins中。

fastbins，大约有10个定长队列，它是一个高速缓冲，所有free下来的并且长度是小于max_fast（默认80B）的chunk就会进入这种队列中。进入此队列的chunk在free的时候并不修改使用位，目的是为了避免被相邻的块合并掉。

如果内存块是空闲的，它会挂在其中的一个队列中，它是通过复用的方式，使用空闲chunk的第3个字和第4个字当作它的前链和后链（变长块是第5个字和第6个字）。

 

malloc的步骤：

1.         先在fastbins中找，如果能找到，从队列中取下后（不需要再置使用位为1）立刻返回；

2.         判断需求的块是否在small bins（bins的前64个bin）范围，如果在小箱子范围，并且刚好有满足需求的块，则直接返回内存地址；

3.         到了这一步，说明需要分配的是一块大内存，或者小箱子里找不到合适的chunk；这个时候，会触发consolidate，ptmalloc首先会遍历fastbins中的chunk，将相邻的chunk合并，并链接到unsorted bin中（因为在大箱子找一般都要切割，所以要优先合并，避免过多碎片）；

4.         在unsort bin中取出一个chunk，如果能找到刚好和想要的chunk相同大小的chunk，立刻返回，如果不是想要的chunk大小的chunk，就把它插入到bins对应的队列中去，转到2。

5.         到了这一步，说明需要分配的是一块大的内存，或者small bins和unsorted bin中都找不到合适的chunk，并且fastbins和unsorted bin中所有的chunk都清楚干净了。在large bins中找，找到一个最小的能符合需求的chunk从队列中取下，如果剩下的大小还能建一个chunk，就把chunk分成两个部分，把剩下的chunk插入到unsort队列中取，把chunk的内存地址返回；

6.         如果搜索fastbins和bins都没有找到合适的chunk，那么就需要操作topchunk（是堆顶的一个chunk，不会放在任何一个队列里）来进行分配了。在topchunk找，如果能切出符合要求的，把剩下的一部分当作topchunk，然后返回内存地址；

7.         到了这一步说明topchunk也不能满足分配要求，就只能调用sysalloc，其实就是增长堆了，然后返回内存地址。

free的步骤：

1.         判断所需释放的chunk是否为mmaped chunk，如果是，则调用munmap释放mmaped chunk，解除内存空间映射，该空间不再有效，然后立刻返回；

2.         如果和topchunk相邻，直接和topchunk合并，不会放到其他的空闲队列中取，然后立刻返回；

3.         如果释放的大小小于max_fast(80字节)，就把它挂到fastbins中去返回，使用位仍然为1，当然更不会去合并相邻块，然后立刻返回；

4.         如果释放块得大小介于80—128K，把chunk的使用位置为0，判断前一个chunk是否处于使用中，如果前一块也是空闲块，则合并，并转入下一步；

5.         判断当前释放chunk的下一个块是否为top chunk，如果是，则转到第7步，否则转下一步；

6.         判断下一个chunk是否处在使用中，如果也是空闲的，则合并，并将合并后的chunk挂到unsort队列中去；

7.         如果执行到了这一步，说明释放了一个与top chunk相邻的chunk；则无论它有多大，都将它与top chunk合并，并更新top chunk的大小等信息，转下一步；

8.         如果合并后的大小大于FASTBIN_CONSOLIDATION_THRESHOLD(64K)，也会触发consolidate，即fastbins的合并操作，合并后的chunk会被放到unsorted bin中，fastbins将变为空，操作完成之后转下一步；

9.         试图收缩堆。（判断topchunk的大小是否大于mmap的收缩阈值，默认为128KB）。

 

ptmalloc对于大于128K的块通过mmap方式来分配，小于128K（mmap分配阈值）的块在heap中分配。堆是通过brk的方式来增加或压缩的，如果在现有的堆中不能找到合适的chunk，会通过增长堆的方式来满足分配，如果堆顶的空闲块超过一定的阈值会收缩堆，所以只要堆顶的空间没释放，堆是一直不会收缩的。因为ptmalloc的内存收缩是从top chunk开始，如果与top chunk（堆顶的一个chunk）相邻的那个chunk在内存池中没有释放，top chunk以下的空闲内存都无法返回给系统，即使这些空闲内存有几十个G也不行。

按照这个测试程序分配后，内存变成由小块和大块交替出现，释放小块的时候，直接把小块放在fastbins中取，而且他的使用位还是1，释放大块的时候，它试图合并相邻的块，但是和它相邻的块的使用位还是1，所以它不能把相邻的块合并起来，而且释放的块的大小小于64K，也不会触发consolidate，即不会把fastbins清空，所以当所有的块都被释放完后，所有的小块都在fastbins里面，使用位都还是1，大块都挂在unsort队列里面。全部都无法合并。所以使用的堆更加无法压缩。如果在循环后面再分配2000字节然后释放的话，所有内存将全部被清空，这是因为再申请2000字节的时候，由malloc的第二步，程序会先调用consolidate，即把所有的fastbins清空，同时把相邻的块合并起来，等到所有的fastbins清空的时候，所有的块也被合并起来了，然后调用free(2000)的时候，这块将被合并起来，成为topchunk，并且大小远小于64K，所有堆将会压缩，内存归还给系统。

 

解决方法：

减小mmap分配阈值，对于大内存块分配尽量采用mamp系统调用直接向操作系统分配，回收时用munmap返回给操作系统。但是这种做法会降低ptmalloc的分配释放效率，因为系统调用mamp是串行的，操作系统需要对mmap分配内存加锁，而且操作系统对mmap的物理页强制清0很慢。
这个可以通过修改 MALLOC_MMAP_THRESHOLD_环境变量或者调用mallopt()接口来实现。