linux内存分配的原理

内存分配的原理

从操作系统角度来看&＃xff0c;进程分配内存有两种方式&＃xff0c;分别由两个系统调用完成&＃xff1a;brk和mmap&＃xff08;不考虑共享内存&＃xff09;。

1、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推&＃xff1b;

2、mmap是在进程的虚拟地址空间中&＃xff08;堆和栈中间&＃xff0c;称为文件映射区域的地方&＃xff09;找一块空闲的虚拟内存。

     这两种方式分配的都是虚拟内存&＃xff0c;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&＃xff0c;发生缺页中断&＃xff0c;操作系统负责分配物理内存&＃xff0c;然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

如何查看进程发生缺页中断的次数&＃xff1f;

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

          majflt代表major fault&＃xff0c;中文名叫大错误&＃xff0c;minflt代表minor fault&＃xff0c;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。

发成缺页中断后&＃xff0c;执行了那些操作&＃xff1f;

当一个进程发生缺页中断的时候&＃xff0c;进程会陷入内核态&＃xff0c;执行以下操作&＃xff1a; 
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&＃xff08;读取磁盘&＃xff0c;或者直接置0&＃xff0c;或者啥也不干&＃xff09; 
4、建立映射关系&＃xff08;虚拟地址到物理地址&＃xff09; 
重新执行发生缺页中断的那条指令 
如果第3步&＃xff0c;需要读取磁盘&＃xff0c;那么这次缺页中断就是majflt&＃xff0c;否则就是minflt。 

在标准C库中&＃xff0c;提供了malloc/free函数分配释放内存&＃xff0c;这两个函数底层是由brk&＃xff0c;mmap&＃xff0c;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&＃xff1a;

情况一、malloc小于128k的内存&＃xff0c;使用brk分配内存&＃xff0c;将_edata往高地址推(只分配虚拟空间&＃xff0c;不对应物理内存(因此没有初始化)&＃xff0c;第一次读/写数据时&＃xff0c;引起内核缺页中断&＃xff0c;内核才分配对应的物理内存&＃xff0c;然后虚拟地址空间建立映射关系)&＃xff0c;如下图&＃xff1a;

1、进程启动的时候&＃xff0c;其&＃xff08;虚拟&＃xff09;内存空间的初始布局如图1所示。

      其中&＃xff0c;mmap内存映射文件是在堆和栈的中间&＃xff08;例如libc-2.2.93.so&＃xff0c;其它数据文件等&＃xff09;&＃xff0c;为了简单起见&＃xff0c;省略了内存映射文件。

      _edata指针&＃xff08;glibc里面定义&＃xff09;指向数据段的最高地址。 
2、进程调用A&＃61;malloc(30K)以后&＃xff0c;内存空间如图2&＃xff1a;

      malloc函数会调用brk系统调用&＃xff0c;将_edata指针往高地址推30K&＃xff0c;就完成虚拟内存分配。

      你可能会问&＃xff1a;只要把_edata&＃43;30K就完成内存分配了&＃xff1f;

      事实是这样的&＃xff0c;_edata&＃43;30K只是完成虚拟地址的分配&＃xff0c;A这块内存现在还是没有物理页与之对应的&＃xff0c;等到进程第一次读写A这块内存的时候&＃xff0c;发生缺页中断&＃xff0c;这个时候&＃xff0c;内核才分配A这块内存对应的物理页。也就是说&＃xff0c;如果用malloc分配了A这块内容&＃xff0c;然后从来不访问它&＃xff0c;那么&＃xff0c;A对应的物理页是不会被分配的。 
3、进程调用B&＃61;malloc(40K)以后&＃xff0c;内存空间如图3。

情况二、malloc大于128k的内存&＃xff0c;使用mmap分配内存&＃xff0c;在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存&＃xff0c;而且初始化为0)&＃xff0c;如下图&＃xff1a;

4、进程调用C&＃61;malloc(200K)以后&＃xff0c;内存空间如图4&＃xff1a;

      默认情况下&＃xff0c;malloc函数分配内存&＃xff0c;如果请求内存大于128K&＃xff08;可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节&＃xff09;&＃xff0c;那就不是去推_edata指针了&＃xff0c;而是利用mmap系统调用&＃xff0c;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&＃xff08;例如&＃xff0c;在B释放之前&＃xff0c;A是不可能释放的&＃xff0c;这就是内存碎片产生的原因&＃xff0c;什么时候紧缩看下面&＃xff09;&＃xff0c;而mmap分配的内存可以单独释放。

      当然&＃xff0c;还有其它的好处&＃xff0c;也有坏处&＃xff0c;再具体下去&＃xff0c;有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。 
5、进程调用D&＃61;malloc(100K)以后&＃xff0c;内存空间如图5&＃xff1b;
6、进程调用free(C)以后&＃xff0c;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&＃xff0c;如图7所示&＃xff1a;

        B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放&＃xff0c;因为只有一个_edata指针&＃xff0c;如果往回推&＃xff0c;那么D这块内存怎么办呢&＃xff1f;

当然&＃xff0c;B这块内存&＃xff0c;是可以重用的&＃xff0c;如果这个时候再来一个40K的请求&＃xff0c;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&＃xff0c;如图8所示&＃xff1a;

        B和D连接起来&＃xff0c;变成一块140K的空闲内存。

9、默认情况下&＃xff1a;

       当最高地址空间的空闲内存超过128K&＃xff08;可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节&＃xff09;时&＃xff0c;执行内存紧缩操作&＃xff08;trim&＃xff09;。在上一个步骤free的时候&＃xff0c;发现最高地址空闲内存超过128K&＃xff0c;于是内存紧缩&＃xff0c;变成图9所示。