内存管理—— malloc 细节

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1. 应用程序内存布局

在 Linux 系统中，应用程序的内存被分为若干个逻辑段，如图：

应用程序内存布局

其中，各个分段的意义是：

• 代码段：程序编译后的可执行代码（指令）存放区域，在编译时确定了，同一个程序在不同机器上、在同一个机器上的不同次运行，同一个方法的入口地址都是确定的
• 数据段：存放程序已初始化的静态常量和全局变量
• BSS 段：存放未初始化的静态常量和全局变量
• 堆：动态分配的内存区域，从低地址向高地址增长，大小不固定
• 栈：存放局部变量、函数调用上下文等，栈的大小在程序启动时就固定了，一般是 8MB，系统提供了参数可以修改
  在上述分段中，文件映射段和堆的内存是由程序动态分配的，通常使用 C 标准库的 malloc 或 mmap 方法来执行

2. malloc 是如何分配内存的

2.1 malloc 概述

实际上，malloc 是 C 标准库函数，而不是系统调用，mmap 和 brk 是系统调用，malloc 申请内存时有两种方式：

• 方式一：通过系统调用 brk 从堆分配内存，具体方法是将堆空间的最高地址指针往高地址扩展，扩充堆区的大小
• 方式二：通过系统调用 mmap 从文件映射区分配内存，具体方法是在文件映射区中找一块足够的空间，进行分配
  需要注意的是，此两种方式分配的都是 虚拟内存，并没有分配物理内存，那么什么时候进行物理内存的分配呢？在第一次访问虚拟空间时，查找页表失败，产生缺页中断，会进行物理分配的内存，并建立虚拟内存地址和物理内存地址的映射关系（生成页表项）

C 标准库中提供 malloc / free 函数分配和释放内存，这两个函数底层由 brk / mmap /unmap 等系统调用实现。

分别什么情况用 brk 和 mmap 呢？
malloc 源码中定义了一个阈值 M_MMAP_THRESHOLD，默认为 128K

• 当分配的值小于该阈值时，调用 brk
• 否则，调用 mmap

2.2 一个例子

2.2.1 首先看看 brk 内存分配

图1-图3

• 程序启动后，虚拟内存空间初始布局如图1 所示
• 程序执行 A = malloc(30K) 后，执行系统调用 brk，将堆顶指针王高地址增加 30K，得到图2所示的内存布局。注意，此时只是完成了虚拟内存的分配，对应的物理内存还没分配，页表项也没创建，等到程序第一次读取 A 这块内存时，发生缺页中断，内核才会分配物理内存并建立对应页表项
• 程序执行 B = malloc(40K) 后，同样的堆顶指针往高地址增加，如图3 所示

2.2.2 当 mmap 分配较大内存

图3-图6

• 程序执行 C = malloc(200K)，待分配的值超过了阈值，使用 mmap 分配，在堆和栈中间找一块空闲内存，并初始化为0，如图4所示。这样做的一个重要原因是，使用brk移动堆顶地址的方式分配内存，只有高地址的内存被释放后，才能释放低地址的内存，对于内存释放的顺序有依赖，如图4中，必须先释放 B ，才能释放 A，对于大块内存分配如果使用此种方式，将造成很多大块内存无法按需释放，而 mmap 分配的内存无依赖，可以单独释放

• 程序执行 D=malloc(100k) 后，内存空间如图5所示

• 程序调用 free(C) 释放内存，将 C 对应的 虚拟内存和物理内存一起释放，得到图6所示

2.2.3 内存的释放

图7-图9

• 调用 free(B) 后的内存布局如图7，B 对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个栈顶指针，由于 D 内存的存在，无法回推。当然，B 部分的内存是可重用的，此时如果来一个 40K 的分配请求，很可能就把 B 给分配返回了。
• 程序执行 free(D) 后，内存布局如图 8 所示，B和D构成了一块 140K 的空闲内存
• 系统默认当高地址空间的空闲内存超过 128K（由 M_TRIM_THRESHOLD 选项调节）时，会自动执行内存紧缩操作 (trim)，在上一步 free(D)完成后，进行内存紧缩，内存布局变成图9所示，栈顶地址降低，释放对应的虚拟内存和物理内存

3. 总结

malloc 细节包括以下几点：

• 当分配请求超过阈值时，使用 mmap 进行分配
• 分配请求小于阈值时，使用 brk 分配
• 分配时并没有立即分配物理地址，只是分配了虚拟地址，第一次访问时才建立页表项，分配物理地址
• 释放 mmap 分配的地址时，可以立即释放
• 释放 brk 分配的内存时，不会立即释放，但可以重用，执行释放时会检查堆顶指针附近的最大空闲块，如果超过阈值，则会执行内存紧缩策略，真正释放物理地址