查看说说和访问空间有什么区别(一文读懂Linux内存分配策略)
本篇主要以问答的查看存分方式来探索Linux内存系统的分配策略
Linux 进程的内存分布长什么样?在 Linux 操作系统中,虚拟地址空间的说说什区内部又被分为内核空间和用户空间两部分,不同位数的和访系统,地址空间的问空范围也不同。比如最常见的别文 32 位和 64 位系统,如下所示:
通过这里可以看出:
32 位系统的读懂内核空间占用 1G,位于最高处,配策剩下的查看存分 3G 是用户空间;64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T,分别占据整个内存空间的说说什区最高和最低处,剩下的和访中间部分是未定义的。再来说说,问空内核空间与用户空间的别文区别:
进程在用户态时,只能访问用户空间内存;只有进入内核态后,读懂才可以访问内核空间的配策内存;虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存,但是查看存分每个虚拟内存中的内核地址,其实关联的都是相同的物理内存。这样,进程切换到内核态后,就可以很方便地访问内核空间内存。
接下来,进一步了解虚拟空间的划分情况,用户空间和内核空间划分的方式是不同的,内核空间的分布情况就不多说了。
我们看看用户空间分布的情况,以 32 位系统为例,我画了一张图来表示它们的关系:
通过这张图你可以看到,用户空间内存从低到高分别是 6 种不同的内存段:
程序文件段,包括二进制可执行代码;已初始化数据段,包括静态常量;未初始化数据段,包括未初始化的静态变量;堆段,包括动态分配的内存,从低地址开始向上增长;文件映射段,包括动态库、共享内存等,从低地址开始向上增长(跟硬件和内核版本有关 );栈段,包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的,一般是 8 MB。当然系统也提供了参数,以便我们自定义大小;在这 6 个内存段中,堆和文件映射段的内存是动态分配的。比如说,使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ,就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。
malloc 是如何分配内存的?实际上,malloc() 并不是系统调用,而是 C 库里的函数,用于动态分配内存。
malloc 申请内存的时候,会有两种方式向操作系统申请堆内存。
方式一:通过 brk() 系统调用从堆分配内存方式二:通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存;方式一实现的方式很简单,就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动,获得新的内存空间。如下图:
方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式,在文件映射区分配一块内存,也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图:
什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存?又是什么场景下通过 mmap() 分配内存?
malloc() 源码里默认定义了一个阈值:
如果用户分配的内存小于 128 KB,则通过 brk() 申请内存;如果用户分配的内存大于 128 KB,则通过 mmap() 申请内存;注意,不同的 glibc 版本定义的阈值也是不同的。
malloc() 分配的是物理内存吗?
不是的,malloc() 分配的是虚拟内存。
如果分配后的虚拟内存没有被访问的话,虚拟内存是不会映射到物理内存的,这样就不会占用物理内存了。
只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候,操作系统通过查找页表,发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中,就会触发缺页中断,然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
malloc(1) 会分配多大的虚拟内存?malloc() 在分配内存的时候,并不是老老实实按用户预期申请的字节数来分配内存空间大小,而是会预分配更大的空间作为内存池。
具体会预分配多大的空间,跟 malloc 使用的内存管理器有关系,我们就以 malloc 默认的内存管理器(Ptmalloc2)来分析。
接下里,我们做个实验,用下面这个代码,通过 malloc 申请 1 字节的内存时,看看操作系统实际分配了多大的内存空间。
#include <stdio.h>#include <malloc.h>int main() { printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid()); //申请1字节的内存 void *addr = malloc(1); printf("此1字节的内存起始地址:%x\n", addr); printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid()); //将程序阻塞,当输入任意字符时才往下执行 getchar(); //释放内存 free(addr); printf("释放了1字节的内存,但heap堆并不会释放\n"); getchar(); return 0;}执行代码(先提前说明,我使用的 glibc 库的版本是 2.17):
我们可以通过 /proc//maps 文件查看进程的内存分布情况。我在 maps 文件通过此 1 字节的内存起始地址过滤出了内存地址的范围。
[root@xiaolin ~]# cat /proc/3191/maps | grep d73000d73000-00d94000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]这个例子分配的内存小于 128 KB,所以是通过 brk() 系统调用向堆空间申请的内存,因此可以看到最右边有 [heap] 的标识。
可以看到,堆空间的内存地址范围是 00d73000-00d94000,这个范围大小是 132KB,也就说明了 malloc(1) 实际上预分配 132K 字节的内存。
可能有的同学注意到了,程序里打印的内存起始地址是 d73010,而 maps 文件显示堆内存空间的起始地址是 d73000,为什么会多出来 0x10 (16字节)呢?这个问题,我们先放着,后面会说。
#free 释放内存,会归还给操作系统吗?
我们在上面的进程往下执行,看看通过 free() 函数释放内存后,堆内存还在吗?
从下图可以看到,通过 free 释放内存后,堆内存还是存在的,并没有归还给操作系统。
这是因为与其把这 1 字节释放给操作系统,不如先缓存着放进 malloc 的内存池里,当进程再次申请 1 字节的内存时就可以直接复用,这样速度快了很多。
当然,当进程退出后,操作系统就会回收进程的所有资源。
上面说的 free 内存后堆内存还存在,是针对 malloc 通过 brk() 方式申请的内存的情况。
如果 malloc 通过 mmap 方式申请的内存,free 释放内存后就会归归还给操作系统。
我们做个实验验证下, 通过 malloc 申请 128 KB 字节的内存,来使得 malloc 通过 mmap 方式来分配内存。
#include <stdio.h>#include <malloc.h>int main() { //申请1字节的内存 void *addr = malloc(128*1024); printf("此128KB字节的内存起始地址:%x\n", addr); printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\n",getpid()); //将程序阻塞,当输入任意字符时才往下执行 getchar(); //释放内存 free(addr); printf("释放了128KB字节的内存,内存也归还给了操作系统\n"); getchar(); return 0;}执行代码:
查看进程的内存的分布情况,可以发现最右边没有 [head] 标志,说明是通过 mmap 以匿名映射的方式从文件映射区分配的匿名内存。
然后我们释放掉这个内存看看:
再次查看该 128 KB 内存的起始地址,可以发现已经不存在了,说明归还给了操作系统。
对于 「malloc 申请的内存,free 释放内存会归还给操作系统吗?」这个问题,我们可以做个总结了:
malloc 通过 brk() 方式申请的内存,free 释放内存的时候,并不会把内存归还给操作系统,而是缓存在 malloc 的内存池中,待下次使用;malloc 通过 mmap() 方式申请的内存,free 释放内存的时候,会把内存归还给操作系统,内存得到真正的释放。为什么不全部使用 mmap 来分配内存?因为向操作系统申请内存,是要通过系统调用的,执行系统调用是要进入内核态的,然后在回到用户态,运行态的切换会耗费不少时间。
所以,申请内存的操作应该避免频繁的系统调用,如果都用 mmap 来分配内存,等于每次都要执行系统调用。
另外,因为 mmap 分配的内存每次释放的时候,都会归还给操作系统,于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的,然后在第一次访问该虚拟地址的时候,就会触发缺页中断。
也就是说,频繁通过 mmap 分配的内存话,不仅每次都会发生运行态的切换,还会发生缺页中断(在第一次访问虚拟地址后),这样会导致 CPU 消耗较大。
为了改进这两个问题,malloc 通过 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候,由于堆空间是连续的,所以直接预分配更大的内存来作为内存池,当内存释放的时候,就缓存在内存池中。
等下次在申请内存的时候,就直接从内存池取出对应的内存块就行了,而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在,这样不仅减少了系统调用的次数,也减少了缺页中断的次数,这将大大降低 CPU 的消耗。
既然 brk 那么牛逼,为什么不全部使用 brk 来分配?前面我们提到通过 brk 从堆空间分配的内存,并不会归还给操作系统,那么我们那考虑这样一个场景。
如果我们连续申请了 10k,20k,30k 这三片内存,如果 10k 和 20k 这两片释放了,变为了空闲内存空间,如果下次申请的内存小于 30k,那么就可以重用这个空闲内存空间。
但是如果下次申请的内存大于 30k,没有可用的空闲内存空间,必须向 OS 申请,实际使用内存继续增大。
因此,随着系统频繁地 malloc 和 free ,尤其对于小块内存,堆内将产生越来越多不可用的碎片,导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。
所以,malloc 实现中,充分考虑了 brk 和 mmap 行为上的差异及优缺点,默认分配大块内存 (128KB) 才使用 mmap 分配内存空间。
free() 函数只传入一个内存地址,为什么能知道要释放多大的内存?还记得,我前面提到, malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了 16 字节吗?
这个多出来的 16 字节就是保存了该内存块的描述信息,比如有该内存块的大小。
这样当执行 free() 函数时,free 会对传入进来的内存地址向左偏移 16 字节,然后从这个 16 字节的分析出当前的内存块的大小,自然就知道要释放多大的内存了。