malloc原理和内存碎片

最近在准备春招的时候,被问到malloc的底层实现,没有回答上来,特此记录一下。

(本文所述均是linux环境下malloc的实现)


在网上查找了好多资料。包括分析了《linux内核源码情景分析》,总结出两点:

1.当开辟的空间小于128k时,调用brk()函数,malloc的底层实现是系统调用函数brk(),其主要移动指针_enddata(注意此时的_enddata指的是Linux地址空间中堆段的末尾地址。

而不是数据段的末尾地址)来开辟空间、

2.当开辟的空间大于128k时,mmap()系统调用函数来在虚拟地址空间中(堆和栈中间,称为文件映射区域的地方)找一块空间来开辟。


下面是具体的内容,希望有助于读者分析:



当一个进程发生缺页中断的时候,进程会陷入内核态,执行以下操作

 
1、检查要访问的虚拟地址是否合法 

2、查找/分配一个物理页 

3、填充物理页内容(读取磁盘,或者直接置0,或者啥也不干) 

4、建立映射关系(虚拟地址到物理地址) 

重新执行发生缺页中断的那条指令 

如果第3步,需要读取磁盘,那么这次缺页中断就是majflt,否则就是minflt。 

内存分配的原理

从操作系统角度来看,进程分配内存有两种方式,分别由两个系统调用完成:brk和mmap(不考虑共享内存)。

1、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推;

2、mmap是在进程的虚拟地址空间中(堆和栈中间,称为文件映射区域的地方)找一块空闲的虚拟内存

     这两种方式分配的都是虚拟内存,没有分配物理内存在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候,发生缺页中断,操作系统负责分配物理内存,然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。


在标准C库中,提供了malloc/free函数分配释放内存,这两个函数底层是由brk,mmap,munmap这些系统调用实现的。


下面以一个例子来说明内存分配的原理:


情况一、malloc小于128k的内存,使用brk分配内存,将_edata往高地址推(只分配虚拟空间,不对应物理内存(因此

没有初始化),第一次读/写数据时,引起内核缺页中断,内核才分配对应的物理内存,然后虚拟地址空间建立映射关

系),如下图:

malloc原理和内存碎片_第1张图片

1、进程启动的时候,其(虚拟)内存空间的初始布局如图1所示。

      其中,mmap内存映射文件是在堆和栈的中间(例如libc-2.2.93.so,其它数据文件等),为了简单起见,省略了
内存映射文件。

_edata指针(glibc里面定义)指向数据段的最高地址。 
2、进程调用A=malloc(30K)以后,内存空间如图2

      malloc函数会调用brk系统调用,将_edata指针往高地址推30K,就完成虚拟内存分配。

      你可能会问:只要把_edata+30K就完成内存分配了?

      事实是这样的,_edata+30K只是完成虚拟地址的分配,A这块内存现在还是没有物理页与之对应的,等到进程第

一次读写A这块内存的时候,发生缺页中断,这个时候,内核才分配A这块内存对应的物理页。 也就是说,如果用

malloc分配了A这块内容,然后从来不访问它,那么,A对应的物理页是不会被分配的。 

3、进程调用B=malloc(40K)以后,内存空间如图3。

情况二、malloc大于128k的内存,使用mmap分配内存,在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存,而且初始化为0),如下图:

malloc原理和内存碎片_第2张图片

4、进程调用C=malloc(200K)以后,内存空间如图4:
      默认情况下,malloc函数分配内存,如果请求内存大于128K(可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节),那就

不是去推_edata指针了,而是利用mmap系统调用,从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。

      这样子做主要是因为::

      brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放(例如,在B释放之前,A是不可能释放的,这就是内存碎

片产生的原因,什么时候紧缩看下面),而mmap分配的内存可以单独释放。

当然,还有其它的好处,也有坏处,再具体下去,有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。 

5、进程调用D=malloc(100K)以后,内存空间如图5;

6、进程调用free(C)以后,C对应的虚拟内存和物理内存一起释放。

malloc原理和内存碎片_第3张图片

7、进程调用free(B)以后,如图7所示:

        B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放,因为只有一个_edata指针,如果往回推,那么D这块内存怎么办呢
当然,B这块内存,是可以重用的,如果这个时候再来一个40K的请求,那么malloc很可能就把B这块内存返回回去了。 
8、进程调用free(D)以后,如图8所示:

        B和D连接起来,变成一块140K的空闲内存。

9、默认情况下:

       当最高地址空间的空闲内存超过128K(可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节)时,执行内存紧缩操作

(trim)。在上一个步骤free的时候,发现最高地址空闲内存超过128K,于是内存紧缩,变成图9所示。

这就是malloc的底层实现。。。
如存在任何错误,麻烦不吝赐教。。。

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