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一文讀懂 Linux 記憶體分配策略

王林
王林轉載
2024-02-12 11:57:02900瀏覽

Linux 進程的記憶體分佈長什麼樣子?

在 Linux 作業系統中,虛擬位址空間的內部又被分成核心空間與使用者空間兩部分,不同位數的系統,位址空間的範圍也不同。例如最常見的 32 位元和 64 位元系統,如下所示:

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透過這裡可以看出:

  • 32 位元系統的核心空間佔用 1G,位於最高處,剩下的 3G 是用戶空間;
  • # 64 位元系統的核心空間和使用者空間都是 128T,分別佔據整個記憶體空間的最高和最低處,剩下的中間部分是未定義的。

再來來說,核心空間與使用者空間的差別:

  • 進程在使用者狀態時,只能存取使用者空間記憶體;
  • 只有進入內核狀態後,才可以存取內核空間的記憶體;

雖然每個進程都各自有獨立的虛擬內存,但是每個虛擬內存中的內核地址,其實關聯的都是相同的物理內存。這樣,進程切換到內核態後,就可以很方便地存取內核空間記憶體。

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接下來,進一步了解虛擬空間的劃分情況,使用者空間和核心空間劃分的方式是不同的,核心空間的分佈就不多說了。

我們來看看使用者空間分佈的情況,以 32 位元系統為例,我畫了一張圖來表示它們的關係:

透過這張圖你可以看到,使用者空間記憶體從低到高分別是 6 種不同的記憶體段:

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  • # 程式檔案段,包括二進位可執行程式碼;
  • 已初始化資料段,包括靜態常數;
  • # 未初始化資料段,包括未初始化的靜態變數;
  • 堆段,包括動態分配的內存,從低位址開始向上增長;
  • # 檔案映射段,包括動態庫、共享記憶體等,從低位址開始向上增長(跟硬體和核心版本有關 );
  • 棧段,包括局部變數和函數呼叫的上下文等。堆疊的大小是固定的,一般是 8 MB。當然系統也提供了參數,以便我們自訂大小;

在這 6 個記憶體段中,堆和檔案映射段的記憶體是動態分配的。比方說,使用 C 標準函式庫的 malloc() 或 mmap() ,就可以分別在堆和檔案映射段動態分配記憶體。

malloc 是如何分配記憶體的?

實際上,malloc() 並不是系統調用,而是 C 庫裡的函數,用於動態分配記憶體。

malloc 申請記憶體的時候,會有兩種方式向作業系統申請堆記憶體。

  • 方式一:透過 brk() 系統呼叫從堆分配記憶體
  • 方式二:透過 mmap() 系統呼叫在檔案映射區域分配記憶體;

#方式一實現的方式很簡單,就是透過 brk() 函數將「堆頂」指標往高位址移動,得到新的記憶體空間。如下圖:

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方式二透過 mmap() 系統呼叫中「私有匿名映射」的方式,在檔案映射區分配一塊內存,也就是從檔案映射區「偷」了一塊記憶體。如下圖:

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什麼場景下 malloc() 會透過 brk() 分配記憶體?又是什麼場景下透過 mmap() 分配記憶體?

#malloc() 原始碼裡預設定義了一個閾值:

  • 如果使用者分配的記憶體小於 128 KB,則透過 brk() 申請記憶體;
  • 如果使用者分配的記憶體大於 128 KB,則透過 mmap() 申請記憶體;

注意,不同的 glibc 版本定義的閾值也是不同的。

malloc() 分配的是實體記憶體嗎?

不是的,malloc() 分配的是虛擬記憶體

如果分配後的虛擬記憶體沒有被存取的話,虛擬記憶體是不會映射到實體記憶體的,這樣就不會佔用實體記憶體了。

只有在存取已分配的虛擬位址空間的時候,作業系統透過尋找頁表,發現虛擬記憶體對應的頁沒有在實體記憶體中,就會觸發缺頁中斷,然後作業系統會建立虛擬記憶體和物理記憶體之間的映射關係。

malloc(1) 會分配多大的虛擬記憶體?

malloc() 在分配記憶體的時候,並不是老實按使用者預期申請的位元組數來分配記憶體空間大小,而是會預先分配更大的空間作為記憶體池

具體會預先分配多大的空間,跟 malloc 使用的記憶體管理器有關係,我們就以 malloc 預設的記憶體管理器(Ptmalloc2)來分析。

接著裡,我們做個實驗,用下面這個程式碼,透過 malloc 申請 1 位元組的記憶體時,看看作業系統實際上分配了多大的記憶體空間。

#include 
#include 

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;
}

執行程式碼(先事先說明,我使用的 glibc 函式庫的版本是 2.17):

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我們可以透過 /proc//maps 檔案查看進程的記憶體分佈。我在 maps 檔案透過此 1 位元組的記憶體起始位址過濾出了記憶體位址的範圍。

[root@xiaolin ~]# cat /proc/3191/maps | grep d730
00d73000-00d94000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

這個範例分配的記憶體小於 128 KB,所以是透過 brk() 系統呼叫向堆空間申請的內存,因此可以看到最右邊有 [heap] 的標識。

可以看到,堆空間的記憶體位址範圍是 00d73000-00d94000,這個範圍大小是 132KB,也就說明了 malloc(1) 實際上預先分配 132K 位元組的記憶體

可能有的同學注意到了,程式裡列印的記憶體起始位址是 d73010,而 maps 檔案顯示堆記憶體空間的起始位址是 d73000,為什麼會多出來 0x10 (16位元組)呢?這個問題,我們先放著,後面就會說。

#free 釋放內存,會歸還給作業系統嗎?

我們在上面的進程往下執行,看看透過 free() 函數釋放記憶體後,堆記憶體還在嗎?

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從下圖可以看到,透過 free 釋放記憶體後,堆記憶體還是存在的,並沒有歸還給作業系統。

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這是因為與其把這1 位元組釋放給作業系統,不如先緩存著放進malloc 的記憶體池裡,當進程再次申請1 位元組的記憶體時就可以直接復用,這樣速度快了很多。

當然,當行程退出後,作業系統就會回收所有行程的資源。

上面所說的 free 記憶體後堆記憶體還存在,是針對 malloc 透過 brk() 方式申請的記憶體的情況。

如果 malloc 透過 mmap 方式申請的內存,free 釋放內存後就會歸還給作業系統。

我們做個實驗驗證下, 透過 malloc 申請 128 KB 位元組的內存,來使得 malloc 透過 mmap 方式來分配記憶體。

#include 
#include 

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;
}

執行程式碼:

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查看進程的記憶體的分佈情況,可以發現最右邊沒有 [head] 標誌,說明是透過 mmap 以匿名映射的方式從檔案映射區分配的匿名記憶體。

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然後我們釋放掉這個記憶體看看:

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再次查看該 128 KB 記憶體的起始位址,可以發現已經不存在了,說明歸還給了作業系統。

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對於 “malloc 申請的內存,free 釋放內存會歸還給操作系統嗎?”這個問題,我們可以做個總結了:

  • malloc 透過brk() 方式申請的內存,free 釋放內存的時候,並不會將內存歸還給操作系統,而是緩存在malloc 的內存池中,待下次使用;
  • # malloc 透過 mmap() 方式申請的內存,free 釋放內存的時候,會將內存歸還給操作系統,內存得到真正的釋放

為什麼不全部使用 mmap 來分配記憶體?

因為向作業系統申請內存,是要透過系統呼叫的,執行系統呼叫是要進入內核態的,然後在回到用戶態,運行態的切換會耗費不少時間。

所以,申請記憶體的操作應該避免頻繁的系統調用,如果都用 mmap 來分配內存,等於每次都要執行系統調用。

另外,因為mmap 分配的記憶體每次釋放的時候,都會歸還給作業系統,於是每次mmap 分配的虛擬位址都是缺頁狀態的,然後在第一次存取該虛擬位址的時候,就會觸發缺頁中斷。

也就是說,經常透過mmap 分配的記憶體話,不僅每次都會發生運行態的切換,還會發生缺頁中斷(在第一次造訪虛擬位址後),這樣會導致CPU 消耗較大

為了改進這兩個問題,malloc 透過brk() 系統呼叫在堆空間申請記憶體的時候,由於堆空間是連續的,所以直接預先分配更大的記憶體來作為記憶體池,當記憶體釋放的時候,就緩存在記憶體池中。

等下次在申請記憶體的時候,就直接從記憶體池取出對應的記憶體區塊就行了,而且可能這個記憶體區塊的虛擬位址與實體位址的映射關係還存在,這不僅減少了系統呼叫的次數,也減少了缺頁中斷的次數,這將大大降低CPU 的消耗

既然 br​​k 那麼牛逼,為什麼不全部使用 brk 來分配?

前面我們提到透過 brk 從堆空間分配的內存,並不會歸還給作業系統,那麼我們那考慮這樣一個場景。

如果我們連續申請了10k,20k,30k 這三片內存,如果10k 和20k 這兩片釋放了,變為了空閒內存空間,如果下次申請的內存小於30k,那麼就可以重用這個空閒內存空間。

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但是如果下次申請的記憶體大於 30k,沒有可用的空閒記憶體空間,必須向 OS 申請,實際使用記憶體繼續增大。

因此,隨著系統頻繁地 malloc 和 free ,尤其對於小塊內存,堆內將產生越來越多不可用的碎片,導致「記憶體外洩」。而這種「洩漏」現象使用 valgrind 是無法偵測出來的。

所以,malloc 實作中,充分考慮了 brk 和 mmap 行為上的差異及優缺點,預設分配大塊記憶體 (128KB) 才使用 mmap 分配記憶體空間。

free() 函數只傳入一個記憶體位址,為什麼能知道要釋放多大的記憶體?

還記得,我前面提到, malloc 回傳給用戶態的記憶體起始位址比進程的堆空間起始位址多了 16 位元組嗎?

這個多出來的 16 位元組就是保存了該記憶體區塊的描述訊息,例如有該記憶體區塊的大小。

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這樣當執行free() 函數時,free 會對傳入進來的記憶體位址向左偏移16 位元組,然後從這個16 位元組的分析出目前的記憶體區塊的大小,自然就知道要釋放多大的記憶體了。

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