计算机原理-为什么会产生内存碎片

要想回答这个问题,就得刨根问底,内存到底是怎样分配的?

 

在内核态的角度来看,进程需要分配内存的方式有两种:brk和mmap这两个系统调用

  1. brk是数据段的最高地址指针_edata往高地址增长;

  2. mmap是建立了页到用户进程的虚拟空间映射,在进程的虚拟地址空间中,堆和栈之间的大空间中找一块空闲的地址。

这两种方式分配到的都是虚拟内存,并还没有分配真正的物理地址。会在第一次访问的时候,内核判断有没有物理地址,如果没有回发生缺页中断,然后分配物理地址,建立虚拟地址和物理地址之间的映射关系。

 

但在用户态申请动态内存,是不会直接调用这两个系统调用接口。一般情况下是通过C库的malloc/free来申请和释放。而C库的实现也正是基于这两个系统调用接口,进行上层的封装和管理。

 

当内核发生缺页中断的时候,到底会做哪些事情呢?

首先进程会从用户态陷入到内核态运行,会执行以下步骤:

  1. 检查需要访问的虚拟地址是否合法;

  2. 查找,分配物理页;

  3. 填充物理页的内容;

  4. 建立映射关系(虚拟地址->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

注意:

用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。

majflt代表major fault,中文名叫主错误,minflt代表minor fault,中文名叫次错误。

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。

 

下面我们用实例来解释下内存申请的原理

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:

计算机原理-为什么会产生内存碎片_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第一幅图所示。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,内存空间如第二幅图: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,内存空间如第三幅图。

 

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:

计算机原理-为什么会产生内存碎片_第2张图片

4、进程调用C=malloc(200K)以后,内存空间第一幅图: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。

计算机原理-为什么会产生内存碎片_第3张图片

7、进程调用free(B)以后,如第一幅图所示: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,如第二幅图所示: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,变成第三幅图所示。

 

如果这个时候我们想要申请一块50K的内存E,就会出现下图的情况。

计算机原理-为什么会产生内存碎片_第4张图片

 

有没有发现,并没有从中间40K的内存分配,因为不满足我们申请50K大小的要求,而是向下偏移指针_edata分配50K,到这里就能发现就产生了内存碎片,这块碎片正是那40K。

系统运行的越久,出现上述这样的情况越多,整个系统的小内存就会很多,导致的结果是:查看系统的剩余内存比较可观,但申请大块内存会返回失败。

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