malloc与free的底层实现

1本节引言

内存管理内幕

Linux内存管理：Malloc

本文引用了下面这篇文章，读完下面，应该读下上面两篇文章，其中，《内存管理内幕》提供了一个简单的malloc/free实现版本。看看它的free设计,相信有足够的吸引力（gnu free版本远比这复杂）

该篇文章基本把malloc与free的实现机制说清楚了。但是有些陷藏的东西没说清楚。Malloc实际上有很多版本（DougLea Malloc/BSD Malloc/Hoard Malloc/）

下面这些内容，对原文作了整理。

原文出处：
http://blog.163.com/xychenbaihu@yeah/blog/static/132229655201210975312473/

 

malloc的实现版本有很多,下面的内容讲述基于GNU malloc的实现（DougLea Malloc的衍生版本）

 

2 内存分配原理

从操作系统角度来看，进程分配内存有2种方式，分别由2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。

3 malloc与free底层C实现

在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk、mmap、，munmap这些系统调用实现的。

打开glibc内部malloc/free的malloc.c实现，malloc/free的实现都是复杂的。       

4 malloc内存分配过程

下面以一个例子来说明内存分配的过程，分别是小于128KB的内存分配与大小于128K的内存分配 (GNUmalloc的版本)

 

小于128K内存分配

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(32位系统)：

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。

 

大于128K内存分配

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：

5.        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。 

6.        进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5；

7.        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。

8.        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。 

9.        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。

10.    内存紧缩操作（trim）
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。

 

5 缺页中断

用ps -o majflt,minflt -C program命令查看缺页中断的次数。

majflt代表majorfault，中文名叫大错误，minflt代表minor fault，中文名叫小错误。

这2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。

发生缺页中断后，执行了哪些操作？

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： 

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（读取磁盘，或者直接置0，或者啥也不干） 

4.        建立映射关系（虚拟地址到物理地址） 

5.        重新执行发生缺页中断的那条指令 

如果第3步，需要读取磁盘，那么这次缺页中断就是majflt，否则就是minflt。 

6 附录 

DougLea Malloc