原文:https://blog.csdn.net/gfgdsg/article/details/42709943 Linux 的虚拟内存管理有几个关键概念: 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; 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。另外,%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。
二、malloc和free是如何分配和释放内存? 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。 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: 内存分配的原理 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。
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(例如libc-2.2.93.so,其它数据文件等),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。
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:
4、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。
当然,还有其它的好处,也有坏处,再具体下去,有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。
5、进程调用D=malloc(100K)以后,内存空间如图5; 6、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。
7、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。
8、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。
9、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。
三、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。
四、如何查看进程的缺页中断信息? minflt 代表 minor fault ,指小错误。 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。 majflt 表示需要读写磁盘,可能是内存对应页面在磁盘中需要load 到物理内存中,也可能是此时物理内存不足,需要淘汰部分物理页面至磁盘中。 五、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.其中alloc是向栈申请内存,因此无需释放. malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.calloc则将初始化这部分的内存,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整.申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小; 在Linux系统上,程序被载入内存时,内核为用户进程地址空间建立了代码段、数据段和堆栈段,在数据段与堆栈段之间的空闲区域用于动态内存分配。 |
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