内存分配的原理

内存分配的原理__Linux虚拟内存管理(glibc)_Linux的虚拟内存管理有几个关键概念_Linux
虚拟地址空间如何分布_malloc和free是如何分配和释放内存_如何查看堆内内存的碎片情况_既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配，munmap直接释放呢

Linux虚拟内存管理(glibc)

        在使用mysql作为DB开发的兑换券系统中，随着分区表的不断创建，发现mysqld出现了疑似“内存泄露”现象，但通过 valgrind
等工具检测后，并没发现类似的问题(最终原因是由于glibc的内存碎片造成)。

 

因此，需要深入学习 Linux
的虚拟内存管理方面的内容来解释这个现象；
Linux
的虚拟内存管理有几个关键概念：

1、每个进程都有独立的虚拟地址空间，进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址；

2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射，获得真正物理地址；

3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，真正分配物理地址，同时更新进程的页表；如果此时物理内存已耗尽，则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。

  
基于以上认识，进行了如下分析：
一、Linux 虚拟地址空间如何分布？
Linux
使用虚拟地址空间，大大增加了进程的寻址空间，由低地址到高地址分别为：

1、只读段：该部分空间只能读，不可写；(包括：代码段、rodata
段(C常量字符串和#define定义的常量) )
2、数据段：保存全局变量、静态变量的空间；

3、堆 ：就是平时所说的动态内存， malloc/new
大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。
4、文件映射区域 ：如动态库、共享内存等映射物理空间的内存，一般是 mmap
函数所分配的虚拟地址空间。
5、栈：用于维护函数调用的上下文空间，一般为 8M ，可通过 ulimit –s 查看。

6、内核虚拟空间：用户代码不可见的内存区域，由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。
下图是
32 位系统典型的虚拟地址空间分布(来自《深入理解计算机系统》)。

 
32 位系统有4G 的地址空间::

      其中 0x08048000~0xbfffffff
是用户空间，0xc0000000~0xffffffff
是内核空间，包括内核代码和数据、与进程相关的数据结构（如页表、内核栈）等。另外，%esp
执行栈顶，往低地址方向变化；brk/sbrk 函数控制堆顶_edata往高地址方向变化。

64位系统结果怎样呢？ 64 位系统是否拥有 2^64
的地址空间吗？
事实上， 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变：
1、地址空间大小不是2^32，也不是2^64，而一般是2^48。因为并不需要 2^64
这么大的寻址空间，过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间，40位表示物理地址，
这可通过 /proc/cpuinfo
来查看
address sizes   : 40 bits physical, 48 bits virtual

2、其中，0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间， 0xFFFF800000000000~
0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间，共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。
这两个区间的特点是，第 47 位与 48~63
位相同，若这些位为 0 表示用户空间，否则表示内核空间。
3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈；

 

二、malloc和free是如何分配和释放内存？
参看博客：http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201210975312473/

 

三、如何查看堆内内存的碎片情况 ？

glibc 提供了以下结构和接口来查看堆内内存和 mmap 的使用情况。
struct mallinfo {
 
int arena;            /* non-mmapped space allocated from system */
  int
ordblks;         /* number of free chunks */
  int smblks;          /*
number of fastbin blocks */
  int hblks;             /* number of mmapped
regions */
  int hblkhd;           /* space in mmapped regions */
  int
usmblks;        /* maximum total allocated space */
  int fsmblks;        
/* space available in freed fastbin blocks */
  int uordblks;        /*
total allocated space */
  int fordblks;         /* total free space */

  int keepcost;       /* top-most, releasable (via malloc_trim) space */

};

/*返回heap(main_arena)的内存使用情况，以
mallinfo 结构返回 */
struct mallinfo mallinfo();

/* 将heap和mmap的使用情况输出到stderr*/

void malloc_stats();

可通过以下例子来验证mallinfo和malloc_stats输出结果。

#include
#include

#include
#include
#include

#include

size_t  heap_malloc_total, heap_free_total,mmap_total,
mmap_count;

void print_info()
{
    struct mallinfo mi = mallinfo();

 
    printf("count by itself:\n");
   
printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu
heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
             
heap_malloc_total*1024, heap_free_total*1024,
heap_malloc_total*1024-heap_free_total*1024,
              mmap_total*1024,
mmap_count);
 
 printf("count by mallinfo:\n");

 printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu
heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
             mi.arena,
mi.fordblks, mi.uordblks,
             mi.hblkhd, mi.hblks);
 
 printf("from malloc_stats:\n");
 malloc_stats();
}

#define ARRAY_SIZE 200
int main(int argc, char** argv)
{

    char** ptr_arr[ARRAY_SIZE];
    int i; 
    for( i = 0; i <
ARRAY_SIZE; i++)
    {
            ptr_arr[i] = malloc(i *
1024); 
            if ( i <
128)                                      //glibc默认128k以上使用mmap
           
{
                    heap_malloc_total += i;
          
 }
            else
            {
                    mmap_total += i;

                   mmap_count++;
            }
    } 
   
print_info(); 

    for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
    {

           if ( i % 2 == 0)
                continue;
          
free(ptr_arr[i]);

           if ( i < 128)
          
{
                   heap_free_total += i;
           }
          
else
           {
                  mmap_total -= i;

                  mmap_count--;
           }
   
} 
    
    printf("\nafter free\n");
   
print_info(); 

    return 1;
}

该例子第一个循环为指针数组每个成员分配索引位置 (KB)
大小的内存块，并通过 128 为分界分别对 heap 和 mmap 内存分配情况进行计数；
第二个循环是 free
索引下标为奇数的项，同时更新计数情况。通过程序的计数与mallinfo/malloc_stats 接口得到结果进行对比，并通过 print_info打印到终端。

 
下面是一个执行结果：
count by itself:
       
heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=0 heap_in_use=8323072
       
mmap_total=12054528 mmap_count=72
  
count by mallinfo:
       
heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=2032 heap_in_use=8325136
       
mmap_total=12238848 mmap_count=72

from malloc_stats:
Arena 0:
system bytes     =   
8327168
in use bytes     =    8325136
Total (incl. mmap):
system
bytes     =   20566016
in use bytes     =   20563984
max mmap regions
=         72
max mmap bytes   =   12238848

after free
count by itself:

        heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=4194304
heap_in_use=4128768
        mmap_total=6008832 mmap_count=36

count by mallinfo:
        heap_malloc_total=8327168
heap_free_total=4197360 heap_in_use=4129808
        mmap_total=6119424
mmap_count=36

from malloc_stats:
Arena 0:
system bytes     =   
8327168
in use bytes     =    4129808
Total (incl. mmap):
system
bytes     =   14446592
in use bytes     =   10249232
max mmap regions
=         72
max mmap bytes   =   12238848

由上可知，程序统计和mallinfo 得到的信息基本吻合，其中 heap_free_total
表示堆内已释放的内存碎片总和。 
 
      
如果想知道堆内究竟有多少碎片，可通过 mallinfo 结构中的 fsmblks 、smblks
、ordblks 值得到，这些值表示不同大小区间的碎片总个数，这些区间分别是 0~80 字节，80~512
字节，512~128k 。如果 fsmblks 、 smblks 的值过大，那碎片问题可能比较严重了。
    不过，
mallinfo 结构有一个很致命的问题，就是其成员定义全部都是 int ，在 64 位环境中，其结构中的
uordblks/fordblks/arena/usmblks 很容易就会导致溢出，应该是历史遗留问题，使用时要注意！

 

四、既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap
来分配，munmap直接释放呢？ 
        既然堆内碎片不能直接释放，导致疑似“内存泄露”问题，为什么
malloc 不全部使用 mmap 来实现呢(mmap分配的内存可以会通过 munmap 进行 free ，实现真正释放)？而是仅仅对于大于 128k
的大块内存才使用 mmap ？ 

        其实，进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap
都是系统调用，频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且， mmap 申请的内存被 munmap 后，重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配
1M 空间，第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ，当munmap 后再次分配 1M 空间，会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为，会导致内核态CPU消耗较大。另外，如果使用 mmap
分配小内存，会导致地址空间的分片更多，内核的管理负担更大。
        同时堆是一个连续空间，并且堆内碎片由于没有归还 OS
，如果可重用碎片，再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断，这将大大降低 CPU 的消耗。 因此， glibc 的
malloc 实现中，充分考虑了 sbrk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过
mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, ) 来修改这个临界值。

 

五、如何查看进程的缺页中断信息？

可通过以下命令查看缺页中断信息
ps -o majflt,minflt -C

ps -o majflt,minflt -p
其中:: majflt 代表
major fault ，指大错误；

           minflt 代表 minor fault ，指小错误。

这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数。
其中 majflt 与 minflt 的不同是::

        majflt 表示需要读写磁盘，可能是内存对应页面在磁盘中需要load
到物理内存中，也可能是此时物理内存不足，需要淘汰部分物理页面至磁盘中。

参看:: http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201210975312473/

 

六、除了 glibc 的 malloc/free
，还有其他第三方实现吗？

        其实，很多人开始诟病 glibc
内存管理的实现，特别是高并发性能低下和内存碎片化问题都比较严重，因此，陆续出现一些第三方工具来替换 glibc 的实现，最著名的当属 google
的tcmalloc和facebook 的jemalloc 。
        网上有很多资源，可以自己查(只用使用第三方库，代码不用修改，就可以使用第三方库中的malloc)。

 

参考资料：

《深入理解计算机系统》第 10 章
http://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/x86_64/mm.txt

https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-lvm64/

http://blog.csdn.net/baiduforum/article/details/6126337

from: http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201311884819764/