malloc 底层实现及原理

摘要:偶尔看到面试题会问到 malloc 的底层原理,今天就来记录一下,毕竟学习要“知其所以然”,这样才会胸有成竹。

注:下面分析均是基于 linux 环境下的 malloc 实现。步骤是:先总结结论,再逐步展开

结论

1)当开辟的空间小于 128K 时,调用 brk()函数,malloc 的底层实现是系统调用函数 brk(),其主要移动指针 _enddata(此时的 _enddata 指的是 Linux 地址空间中堆段的末尾地址,不是数据段的末尾地址)

2)当开辟的空间大于 128K 时,mmap()系统调用函数来在虚拟地址空间中(堆和栈中间,称为“文件映射区域”的地方)找一块空间来开辟。

具体内容

当一个进程发生缺页中断的时候,进程会陷入核心态,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,或者什么都不做)

4)建立映射关系(虚拟地址到物理地址的映射关系)

5)重复执行发生缺页中断的那条指令

如果第3布,需要读取磁盘,那么这次缺页就是 majfit(major fault:大错误),否则就是 minflt(minor fault:小错误)

内存分配的原理

从操作系统角度看,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。

具体分配过程

情况一:malloc 小于 128K 的内存,使用 brk 分配

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

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:难道这样就完成内存分配了?

  事实是:_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(munmap 释放)

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,因为只有一个_edata 指针,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

 

参考博客:https://www.cnblogs.com/dongzhiquan/p/5621906.html

posted on 2019-05-04 16:57  爱笑的张飞  阅读(7559)  评论(3编辑  收藏

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