内存分配

一，Linux 的虚拟内存管理的几个关键概念： 

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：

二、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：也称之为静态存储区域，该部分空间只能读，不可写；内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都存在。(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（例如libc-2.2.93.so）、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。 

　　　 在执行函数时，函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建，函数执行结束时这些存储单元自动被释放。栈内存分配运算内置于处理器的指令集中，效率很高，但是分配的内存容量有限。

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。

　　　栈指针：%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。

三、缺页中断

　　　malloc()和mmap()等内存分配函数，在分配时只是建立了进程虚拟地址空间，并没有分配虚拟内存对应的物理内存。

当进程访问这些没有建立映射关系的虚拟内存时，处理器自动触发一个缺页异常。

1，如何查看进程发生缺页中断的次数？

     用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。

     majflt代表major fault，中文名叫大错误，minflt代表minor fault，中文名叫小错误。

     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。

2，发成缺页中断后，执行了那些操作？

　　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。 

四，内存分配的原理

4.1，内存分配的两个系统函数：brk和mmap

　　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。

4.2，下面以一个例子来说明内存分配的原理：

4.2.1　　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，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。

 

4.2.2 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：

　　1)、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。

　　2)、进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5；

　　3)、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。

 　 4),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。  　　

　　5),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。

　　6),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。

 

五、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, <SIZE>) 来修改这个临界值。

六、C语言的内存分配方式与malloc

　　C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloc,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.

6.1 _alloc　　

　　原型：void *_alloc(size_t size);
　　本函数与上述的两个函数不同，因为它是在栈上分配了size大小的内存，因此使用此函数分配的内存不用再担心内存释放的情况了。但是使用此函数需要注意的是：在函数内部使用此函数分配的内存随着函数的终结不复存在，因此不能将此函数分配的内存供函数外部使用。

6.2 malloc

　　原型：void * malloc(size_t size);

　　该函数将在堆上分配一个size byte大小的内存。它分配的单元完全按字节大小计算，因此如此分配N个单原的student_t，那么要这样实现：(stdent_t *)malloc(N * sizeof (student_t));

6.3 calloc

　　原型：void* calloc(size_t size, int count);

　　该函数解决了上面的函数的不足，它将分配count个size大小的单元，因此在便用此函数的时候就会很方便，比如对上面的例子就可以：(student_t *)calloc(sizeof(t_student), N)就可以了。这样使用就会很清晰的知道分配的内存是一种什么样的逻辑方式。

　　malloc与calloc没有本质区别，malloc之后的未初始化内存可以使用memset进行初始化。

6.4 realloc

　　是在malloc的基础上增加内存分配，free函数用来对分配在堆的内存进行释放以防内存泄漏的产生。

6.5 sbrk

　　是系统函数，用来向os申请数据段，供malloc，calloc及realloc申请使用。

6.6 New和delete

　　是c++中的运算符，调用malloc申请内存后初始化为对象，用delete释放。