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：

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：

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。

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。。。