Linux内存分配原理

答案

Linux的虚拟内存管理有几个关键问题：

  • Linux 虚拟地址空间如何分布？

  • malloc和free是如何分配和释放内存？

  • 如何查看堆内内存的碎片情况？

  • 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 ？

Linux 的虚拟内存管理有几个关键概念：

  • 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；

  • 虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射，获得真正物理地址；

  • 如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，真正分配物理地址，同时更新进程的页表；如果此时物理内存已耗尽，则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。

一、Linux 虚拟地址空间如何分布？

Linux 使用虚拟地址空间，大大增加了进程的寻址空间，由低地址到高地址分别为：

  • 只读段：该部分空间只能读，不可写；(包括：代码段、rodata 段(C常量字符串和#define定义的常量) )

  • 数据段：保存全局变量、静态变量的空间；

  • 堆 ：就是平时所说的动态内存， malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。

  • 文件映射区域 ：如动态库、共享内存等映射物理空间的内存，一般是 mmap 函数所分配的虚拟地址空间。

  • 栈：用于维护函数调用的上下文空间，一般为 8M ，可通过 ulimit –s 查看。

  • 内核虚拟空间：用户代码不可见的内存区域，由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。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》)。

Linux内存分配原理

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。

64位系统结果怎样呢？ 64 位系统是否拥有 2^64 的地址空间吗？事实上， 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变：

1、地址空间大小不是2^32，也不是2^64，而一般是2^48。

因为并不需要 2^64 这么大的寻址空间，过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间，40位表示物理地址，这可通过

  1. cat /proc/cpuinfo

来查看。

Linux内存分配原理2

2、其中，

  • 0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间

  • 0xFFFF800000000000~0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间，共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。这两个区间的特点是，第 47 位与 48~63 位相同，若这些位为 0 表示用户空间，否则表示内核空间。

3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈；

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？

用下面的命令查看

  1. # ps -o majflt,minflt -C program

Linux内存分配原理3

  • 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。

可以用命令

  1. ps -o majflt minflt -C program

来查看进程的majflt, minflt的值，这两个值都是累加值，从进程启动开始累加。在对高性能要求的程序做压力测试的时候，我们可以多关注一下这两个值。

如果一个进程使用了mmap将很大的数据文件映射到进程的虚拟地址空间，我们需要重点关注majflt的值，因为相比minflt，majflt对于性能的损害是致命的，随机读一次磁盘的耗时数量级在几个毫秒，而minflt只有在大量的时候才会对性能产生影响。

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：

  • 检查要访问的虚拟地址是否合法

  • 查找/分配一个物理页

  • 填充物理页内容（读取磁盘，或者直接置0，或者啥也不干）

  • 建立映射关系（虚拟地址到物理地址） 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。

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）。

  • brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；

  • 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。

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。

下面以一个例子来说明内存分配的原理：

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：

Linux内存分配原理4

  • 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。

  • 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。

  • 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：

Linux内存分配原理5

  • 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。

  • 进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5；

  • 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。

Linux内存分配原理6

  • 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。

  • 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。

  • 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。

真相大白

说完内存分配的原理，那么被测模块在内核态cpu消耗高的原因就很清楚了：每次请求来都malloc一块2M的内存，默认情况下，malloc调用mmap分配内存，请求结束的时候，调用munmap释放内存。假设每个请求需要6个物理页，那么每个请求就会产生6个缺页中断，在2000的压力下，每秒就产生了10000多次缺页中断，这些缺页中断不需要读取磁盘解决，所以叫做minflt；缺页中断在内核态执行，因此进程的内核态cpu消耗很大。缺页中断分散在整个请求的处理过程中，所以表现为分配语句耗时（10us）相对于整条请求的处理时间（1000us）比重很小。

解决办法

将动态内存改为静态分配，或者启动的时候，用malloc为每个线程分配，然后保存在threaddata里面。但是，由于这个模块的特殊性，静态分配，或者启动时候分配都不可行。另外，Linux下默认栈的大小限制是10M，如果在栈上分配几M的内存，有风险。 禁止malloc调用mmap分配内存，禁止内存紧缩。在进程启动时候，加入以下两行代码：

  1. mallopt(M_MMAP_MAX, 0);             // 禁止malloc调用mmap分配内存
  2. mallopt(M_TRIM_THRESHOLD, -1);      // 禁止内存紧缩

效果：加入这两行代码以后，用ps命令观察，压力稳定以后，majlt和minflt都为0。进程的系统态cpu从20降到10。

三、如何查看堆内内存的碎片情况 ？

glibc 提供了以下结构和接口来查看堆内内存和 mmap 的使用情况。

  1. struct mallinfo { 
  2.   int arena;            /* non-mmapped space allocated from system */ 
  3.   int ordblks;         /* number of free chunks */ 
  4.   int smblks;          /* number of fastbin blocks */ 
  5.   int hblks;             /* number of mmapped regions */ 
  6.   int hblkhd;           /* space in mmapped regions */ 
  7.   int usmblks;        /* maximum total allocated space */ 
  8.   int fsmblks;         /* space available in freed fastbin blocks */ 
  9.   int uordblks;        /* total allocated space */ 
  10.   int fordblks;         /* total free space */ 
  11.   int keepcost;       /* top-most, releasable (via malloc_trim) space */ 
  12. };
  14. /*返回heap(main_arena)的内存使用情况，以 mallinfo 结构返回 */
  15. struct mallinfo mallinfo();
  17. /* 将heap和mmap的使用情况输出到stderr*/
  18. void malloc_stats();
  20. 可通过以下例子来验证mallinfo和malloc_stats输出结果。
  21. #include <stdlib.h> 
  22. #include <stdio.h> 
  23. #include <string.h> 
  24. #include <unistd.h> 
  25. #include <sys/mman.h> 
  26. #include <malloc.h>
  28. size_t  heap_malloc_total, heap_free_total,mmap_total, mmap_count;
  30. void print_info() 
  31. { 
  32.     struct mallinfo mi = mallinfo(); 
  34.     printf("count by itself:\n"); 
  35.     printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
  36.               heap_malloc_total*1024, heap_free_total*1024, heap_malloc_total*1024-heap_free_total*1024,
  37.               mmap_total*1024, mmap_count); 
  39.  printf("count by mallinfo:\n"); 
  40.  printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
  41.              mi.arena, mi.fordblks, mi.uordblks, 
  42.              mi.hblkhd, mi.hblks); 
  44.  printf("from malloc_stats:\n"); 
  45.  malloc_stats(); 
  46. }
  48. #define ARRAY_SIZE 200 
  49. int main(int argc, char** argv) 
  50. { 
  51.     char** ptr_arr[ARRAY_SIZE]; 
  52.     int i; 
  53.     for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) 
  54.     { 
  55.             ptr_arr[i] = malloc(i * 1024); 
  56.             if ( i < 128)                                      //glibc默认128k以上使用mmap
  57.             {
  58.                     heap_malloc_total += i; 
  59.             }
  60.             else 
  61.             {
  62.                     mmap_total += i; 
  63.                    mmap_count++; 
  64.             } 
  65.     } 
  66.     print_info(); 
  69.     for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) 
  70.     { 
  71.            if ( i % 2 == 0) 
  72.                 continue; 
  73.            free(ptr_arr[i]);
  75.            if ( i < 128) 
  76.            {
  77.                    heap_free_total += i; 
  78.            }
  79.            else 
  80.            { 
  81.                   mmap_total -= i; 
  82.                   mmap_count--; 
  83.            } 
  84.     } 
  86.     printf("\nafter free\n"); 
  87.     print_info(); 
  90.     return 1; 
  91. }

该例子第一个循环为指针数组每个成员分配索引位置 (KB) 大小的内存块，并通过 128 为分界分别对 heap 和 mmap 内存分配情况进行计数；

第二个循环是 free 索引下标为奇数的项，同时更新计数情况。通过程序的计数与mallinfo/malloc_stats 接口得到结果进行对比，并通过 print_info打印到终端。

下面是一个执行结果：

  1. count by itself: 
  2.         heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=0 heap_in_use=8323072 
  3.         mmap_total=12054528 mmap_count=72 
  5. count by mallinfo: 
  6.         heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=2032 heap_in_use=8325136 
  7.         mmap_total=12238848 mmap_count=72
  9. from malloc_stats: 
  10. Arena 0: 
  11. system bytes     =    8327168 
  12. in use bytes     =    8325136 
  13. Total (incl. mmap): 
  14. system bytes     =   20566016 
  15. in use bytes     =   20563984 
  16. max mmap regions =         72 
  17. max mmap bytes   =   12238848
  19. after free 
  20. count by itself: 
  21.         heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=4194304 heap_in_use=4128768 
  22.         mmap_total=6008832 mmap_count=36
  24. count by mallinfo: 
  25.         heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=4197360 heap_in_use=4129808 
  26.         mmap_total=6119424 mmap_count=36
  28. from malloc_stats: 
  29. Arena 0: 
  30. system bytes     =    8327168 
  31. in use bytes     =    4129808 
  32. Total (incl. mmap): 
  33. system bytes     =   14446592 
  34. in use bytes     =   10249232 
  35. max mmap regions =         72 
  36. max mmap bytes   =   12238848

由上可知，程序统计和mallinfo 得到的信息基本吻合，其中 heap_free_total 表示堆内已释放的内存碎片总和。 如果想知道堆内究竟有多少碎片，可通过 mallinfo 结构中的 fsmblks 、smblks 、ordblks 值得到，这些值表示不同大小区间的碎片总个数，这些区间分别是 0~80 字节，80~512 字节，512~128k。如果 fsmblks 、 smblks 的值过大，那碎片问题可能比较严重了。

不过， mallinfo 结构有一个很致命的问题，就是其成员定义全部都是 int ，在 64 位环境中，其结构中的 uordblks/fordblks/arena/usmblks 很容易就会导致溢出，应该是历史遗留问题，使用时要注意！

四、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。

同时堆是一个连续空间，并且堆内碎片由于没有归还 OS ，如果可重用碎片，再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断，这将大大降低 CPU 的消耗。 因此， glibc 的 malloc 实现中，充分考虑了 sbrk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, ) 来修改这个临界值。

五、如何查看进程的缺页中断信息？

可通过以下命令查看缺页中断信息

  1. ps -o majflt,minflt -C <program_name> 
  2. ps -o majflt,minflt -p <pid>

其中:

  • majflt 代表 major fault ，指大错误；

  • 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。

其中 majflt 与 minflt 的不同是: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。

六、除了 glibc 的 malloc/free ，还有其他第三方实现吗？

其实，很多人开始诟病 glibc 内存管理的实现，特别是高并发性能低下和内存碎片化问题都比较严重，因此，陆续出现一些第三方工具来替换 glibc 的实现，最著名的当属 google 的tcmalloc和facebook 的jemalloc 。

网上有很多资源，可以自己查(只用使用第三方库，代码不用修改，就可以使用第三方库中的malloc)。

参考资料