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2012年(7)

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2012-02-05 12:47:04

原文地址:【讨论】简析堆内存 作者:jiangwen127

http://blog.csdn.net/dongpy/article/details/4555875

写的不错,介绍了malloc的实现,进一步可以理解malloc和brk的关系,以及各种异常内存访问可能导致的结果

堆内存是程序设计中使用最多的,操作灵活,可分配空间大,但管理麻烦,搞不好还会内存泄露和产生内存碎片。

1.  接口

       用户空间示意图如下,堆区从数据段尾端开始生长,动态分配普通大小的内存,超大块内存则直接在共享内存区(文件映射区)映射空间。

 

进程地址空间示意图

1       进程地址空间示意图

内核记录了进程堆空间的位置,并提供系统调用brk/sbrk给用户,动态伸缩该空间。

堆区生长示意图

 2            堆区生长示意图

用户程序通过mallocC库交互,后者再通过brk/sbrk与内核交互。用户调用C库函数malloc时,如果没有找到合适的空闲内存块,则调用brk/sbrk扩展堆空间。调用free时,也可能调用brk/sbrk收缩堆空间。

malloc调用示意图

3       malloc调用示意图

2.  结构

       C库把堆空间当做一个数据结构来管理,一般包含空闲表和隐式表,空闲表记录空闲内存块,隐式表将分割的内存块按地址顺序连接起来。

一个比较典型的堆结构示意图如下,具体实现可参考《【例子】“首次匹配法”动态内存分配的实现》。

 典型的堆结构示意图

4       典型的堆结构示意图

malloc时,在空闲表中查找合适的内存块,如果找到的内存块比申请的大很多,还要切割内存块,将切下来的空闲块加入空闲表和隐式表。

free时,先检查是否可以合并隐式表上的相邻空闲块,然后将合并后的内存块加入空闲表。

free操作示意图

5       free操作示意图

free1后,库函数将它链入空闲表;free2后,库函数也将它链入空闲表,由于块2在堆顶,因此内核有可能会回收该空间,此时块2所在空间的映射被断开。

       所以,通常free(ptr)后,随着时间推移,ptr指向的地址空间通常有4种状态

1在空闲表中(free后,还未被重新分配出去)。

2在隐式表中,但不在空闲表中(free后,又被重新分配出去)。

3在隐式表中(部分字节已用作堆结构的控制数据,如隐式表的表头或表尾)。

4不在隐式表中(free后,被内核回收)。

如果free(ptr)后,过段时间再来访问ptr,针对上述4种状态,将会有以下结果:

1:读写都能成功;读取的是之前保留下来的值,写操作无副作用。

2:读写都能成功;读取的是不可预期的值,写操作会影响其他对象,导致程序错误。

3:读写都能成功;读取的是不可预期的值,写操作会破坏堆结构,导致程序错误。

4:读写都失败,导致进程立刻退出。

       一旦用户疏忽造成了上述错误,在测试时,

1—若出现情况4,则跟踪调试即可,因为出错的地方就是案发第一现场。

2—若出现情况3,因为破坏堆结构后,程序不会立刻出错,而要当再次访问堆结构(malloc/free)时才会出错,而且可能每次出错地点不相同。因此找到第一现场有些难度。

3—若出现情况2,与上一条类似,只是程序不一定会出错退出,而会产生错误结果。

4—若测试期间情况234都未出现,而是如情况1所述,那是最糟糕的,因为问题最终很可能会暴露在客户那里。

3.  碎片

内存碎片是指进程地址空间中的空闲内存,由于种种原因,导致这些内存无法被内核收回,形成内存碎片。

久而久之,当malloc一块大内存时,堆结构空闲表没有合适的空闲块,malloc通过系统调用sbrk扩展堆空间,但此刻空闲物理内存短缺,从而导致OOM Killer错误(暴露在写时拷贝操作,可参考《【基础】关于Linuxmalloc的写时拷贝(延迟分配)》),虽然总的空闲内存【空闲物理内存+进程释放但内核未能回收的内存】足够。

内存碎片(这里指片外碎片)的原因主要有:

1.未释放的块妨碍内核回收空闲物理内存;

2.未释放的块妨碍C库合并相邻空闲块。

内存碎片示意图

6       内存碎片示意图

如图6所示,堆顶的内存块妨碍了内核回收空闲物理内存,2个空闲块间的内存块妨碍了C库合并空闲块。

4.  定制

如果内存碎片不及时处理,那么随着时间推移,情况可能会越来越糟,最终将导致系统瘫痪。这对于那些长时间运转的系统(如工业控制系统)来说,是致命的。因此对于一些专用系统,需要定制合适的内存管理器。

自定义的动态内存管理可以是基于C库的二次管理,也可以直接分配静态内存进行管理,后者就干脆屏蔽了堆内存的使用。

一般我们可以采用前者,即在C库的基础上,再自定义内存管理器,管理算法有很多,其中内存池比较常用(同时还可使用一些简单的垃圾回收机制),主要适用于有小内存块频繁分配和释放的系统。主要思路是:将小内存块集中在堆的底部分配,避免小内存块散落在大内存块之间而造成碎片。具体实现可参考Slab算法。


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