从malloc到跑路

当我还是一个懵懂无知的少年时，内心也曾升起这样的疑问这内存咋来的捏❓

有个帅气的小哥哥给我甩了一篇博客：对，就是这篇，看完后总感觉意犹未尽，似乎少了点什么的样子。。。

还是从malloc开始

1. 如果申请的内存小于64B，先在当前进程的空闲块链表中查找，找到合适的就返回；
2. 否则如果小于512B，就尝试合并碎片块，内存就像，挤挤还是有的；
3. 但也有挤不出来的时候，就尝试处理最近刑满释放的块，size完全匹配就直接返回；
4. 还没有怎么办呢？鲁迅说过：如果大于128KB，就找小弟要（mmap）；如果小于128KB，也找小弟要（brk）

给系统打call

 ：喂，内核吗！再搞点内存来~

“这。。不是刚给过吗，怎么又来要，先给个假的吧，反正你不急着用!”

内核并没有立即分配物理内存，而是先返回虚拟内存给上层，真正分配要等有人往这块地址中写数据才开始。

迫不得已

不久之后，不知道哪个倒霉蛋开始往那个假地址写数据了，正好一脚踩中了内核埋的陷阱——缺页中断！

具体情况是这样的：上面派人拿着那个虚拟地址和数据，来内核层写入。写入的时候会分析虚拟地址的合法性（没错，就是自己给出去的），尝试计算出物理内存的地址，发现页表中映射关系不存在，就触发了缺页中断！

：“没办法了额，这次真的得给他了，不然说不过去了。”

伙伴算法

底层分配物理内存使用kmalloc()，大块通过伙伴算法分配，内核用这个算法维护了一堆块，就像这样的：

 

伙伴算法分配器管理的空闲列表，分别为2^0 ~ 2^10个页， 即4KB~1MB。

申请空间依次从小到大在空闲列表上匹配，没找到就往下一个找，分割下一个大块，一部分返回，另一部分挂在对应链表上；

两个具有相同大小、物理地址连续、且从同一个大块中拆出来的块叫伙伴。

 

释放的时候先检查对应size的链表中是否有伙伴，有就合并；然后往下一个size的链表中找，继续检查伙伴合并，直到没有伙伴或者合并为了最大块，再把块挂到对应size的链表上；

因为伙伴的块大小都是固定的，能分能合，所以不存在外碎片问题。

slab/slub分配器

slab分配器也叫slab层，小块且需频繁分配释放的通过slab层分配，slab通常为2^n字节。slab提前分配好固定size的块，挂在链表上，分为已满列表、部分满、空闲，分配时先从部分满列表分配，没有则从空闲列表分配，再没有则开辟一个新的空闲列表分配。

slab缓存队列管理复杂，其用于管理内存的数据结构本身开销较大，在其基础上又做了改进，就有了slub：

        slub可以动态调整内存块大小（类似伙伴算法），支持合并小内存块为较大内存块，减少外碎片；

        slub为每cpu维护一个本地缓存，只有本地缓存没有空闲，才向全局缓存申请，可以减少线程间竞争。

对于应用层老大的内存需求，不敢不重视，所以都是按页分配内存，也就是是通过伙伴算法分配了，slab/slub分配器一般是内核自己内部用~

页表

一个页是4KB，一台机器如果有4GB内存的话，有多少个页？

1048576！

怎么把这些页管理起来呢？

 我管理页的地址不就好了：

一个PTE(页表项)占4B，标识一页物理内存的起始地址，1024个PTE组成一张页表，一张页表大小也正好是4KB，可以维护1024*4KB个页的内存(4MB)；

这样只需要1024个页表就能管理好高达4GB的内存！可是，这1024个页表也有点多，该怎么管理呢？类似地，我管理页表的地址不就好了：

一个PDE(页目录项)占4B，标识一张页表的起始地址，1024个PDE组成一张页目录表，一张页目录表大小也正好是4KB，可以维护1024*4MB内存，即4GB。这样，我只需要记录顶级的页目录表的起始地址就可以了，这个就叫页基址。每cpu都给他一个寄存器，存这个页目录基址，这样cpu访问进程的页就更快啦~

从虚拟地址到物理地址

虚拟地址也叫线性地址，高10位表示页目录项偏移，最高级页目录基址 + 高10位 * 4B 即为页目录项地址；

页目录项里记录了对应页表基地址，页表基地址 + 中10位 * 4B 即为物理页地址；

物理页地址 + 低12位 即为真正的物理地址，这里映射操作由MMU硬件(内存管理单元)自动计算，快到起飞~

swap

    当然了，虚拟内存也是有限的，在物理内存不足时，内核会将不常用的页换出到磁盘上的swap分区，需要访问时再换入内存。

好像有点扯远了，刚刚在伙伴算法分配器那里，好像没有找到空闲内存页哎~

跑路？

怎么办，交不了差，难道要我跑路？

是的，当系统内存不足时，内核会使用 OOM（Out of Memory）机制来释放一些内存。通常情况下，内核会杀掉低优先级进程以释放内存。这种情况下，释放内存的过程被称为 OOM-kill。 

再逼我，我疯起来，连自己都杀！