# 4.2 malloc 是如何分配内存的?

大家好,我是小林。

这次我们就以 malloc 动态内存分配为切入点,我在文中也做了小实验:

  • malloc 是如何分配内存的?
  • malloc 分配的是物理内存吗?
  • malloc(1) 会分配多大的内存?
  • free 释放内存,会归还给操作系统吗?
  • 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?

发车!

# Linux 进程的内存分布长什么样?

在 Linux 操作系统中,虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分,不同位数的系统,地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统,如下所示:

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通过这里可以看出:

  • 32 位系统的内核空间占用 1G,位于最高处,剩下的 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最高和最低处,剩下的中间部分是未定义的。

再来说说,内核空间与用户空间的区别:

  • 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,才可以访问内核空间的内存;

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存,但是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。

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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:

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  • 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):

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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 d730
00d73000-00d94000 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?

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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。

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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:

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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。

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然后我们释放掉这个内存看看:

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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。

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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。

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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。

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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。


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上次更新: 8/25/2022, 9:54:24 PM