内存空洞

堆内存释放，是从堆顶开始。那么如果堆中间的一块区域，大部分内存都释放了，堆顶还有一些会怎么样呢？

我们来看个例子：

#include <stdlib.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>

#include <unistd.h>

int main()

{

char *p[11];

int i;

for(i=0;i<10;i++)

{

p[i]=(char *)malloc(1024*2);

strcpy(p[i],"123");

}

p[10]=(char *)malloc(1024*2);

strcpy(p[10],"123");

for(i=0;i<10;i++)

{

free(p[i]);

}

pid_t pid=getpid();

printf("pid:%d\n",pid);

pause();

return 0;

}

这里我申请了 11 个2k 的内存，然后将前10 个2k 内存释放掉，只剩下堆顶一个2k。

按我们正常的逻辑，进程应该只是占用了一个物理页面，可实际上呢？

我们查看 memmap 的结果，可以看到

1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

这个例子是，堆顶指针没变，堆顶下面的内存被释放了。

让我们来想想 libc 会怎么办？

第一个想法，也是最合理的方法，堆顶下面哪个页面空闲了，就将那个物理页面释放掉，返

还给系统。

Linux 内核只能通过缩小线性内存区的方式来释放物理内存。

方法一，通过使用系统调用 brk，来改变堆顶地址释放内存。

优点：

算法简单，系统调用少，效率高。

缺点：

堆顶下方的物理页面即使空闲也无法及时释放。

方法二：，通过将对应堆的线性区拆分，将中间的物理页面释放掉。

优点：

堆顶下方的内存能够得到即使的释放。

缺点：

算法复杂，涉及到线性区的拆分与合并，有可能会导致进程堆段形成多个不连续的小块

内存空间，对进程的性能影响较大。

综合以上因素，Linux 内核选则了通过调整堆顶来扩展和释放内存空间。

它也决定了，只要堆顶部还有内存在使用，堆顶下方不管释放了多少内存都不会被释放，这

也就是我们经常所说的内存空洞。

除了通过 brk 扩展堆顶地址外，我们还提到了另外一种内存分配方式mmap。当libc 在处理

大块内存分配时，其会调用mmap 来分配一块地址空间；当释放时，直接调用unmmap 释放

掉该段内存空间，因此对于这种大块内存分配的申请和释放，就不会存在内存空洞的问题。

你可以通过使用mmap 分配内存的阀值，来减少内存空洞的概率。代价是，可能会使用更多

的系统调用，降低进程的性能。

要想消除内存空洞的影响，就要求我们在申请和释放内存时，要严格依照就近原则，最先释

放堆顶地址的内存。可控制内存的申请和释放的顺序难度十分的大；另外由于内存碎片的影

响，每次申请得到的内存地址都带有一定的随机性，后面申请的内存，并不一定就意味着在

堆顶；这简直是Mission impossible。

做为一个程序员，我很受挫折，我无能为力，我调用 free 都释放内存，可它并不一定会返

还到系统中，我无法完全控制我程序的行为，谁又能保证堆顶没有那么一块正在使用的内存呢？

这也给很多程序员以藉口，在测试中我们程序内存使用量增长，要求他们去检查时，他们往

往会说，“内存我都释放了，这是内存空洞造成的，我也无能为力。”。老板也无话可说，内

存空洞简直成了我们的噩梦。

内存空洞和内存泄漏造成的内存增长是有区别的：

内存泄漏是申请了的内存没有释放，如果你在做多次同样的操作，进程所使用的内存应该保

持同样的一个速度进行增长。

内存空洞是申请并释放了的内存由于不处于堆顶无法返还给系统，但是这些内存还是能留给

进程自身使用，所以如果你做多次同样的操作，进程所使用的内存应该停留在一个水平线上，

不怎么增长，或者增长不多。

程序员可以根据这个现象来判断，你的进程中存在的是内存泄漏还是内存空洞。

在实际情况中，内存空洞的现象并很多，通过我的观察在堆中，更多的是内存的碎片而不是

内存空洞。因此程序员对于内存空洞只要了解这个概念，在申请分配内存时，本着就近原则

就可以了，需要的时候才分配内存，不需要了立刻释放。不必去严格的追求申请和释放的顺

序，也做不到。

后面我将会介绍一种方法，通过它你可以观察当前进程的内存分布情况，你可以清楚的知道

进程内存碎片和内存空洞的情况。

虽然我给大家吃了很多宽心丸，但很多人还是不放心，担心他自己成为内存空洞的受害者。

难道我们对于内存空洞真的是无能为力吗？

实际上堆的内存管理机制有很多种，你也可以按照自己的要求来自己编写内存管理机制。前

面我们介绍的是libc 中自带的内存管理机制Doug Lea Malloc。

Doug Lea Malloc：Doug Lea Malloc 实际上是完整的一组分配程序，其中包括 Doug Lea 的

原始分配程序，GNU libc 分配程序和 ptmalloc。 Doug Lea 的分配程序加入了索引，这使

得搜索速度更快，并且可以将多个没有被使用的块组合为一个大的块。它还支持缓存，以便

更快地再次使用最近释放的内存。

这里我简单介绍另外一种内存管理机制 BSD Malloc。

BSD Malloc：BSD Malloc 是随 4.2 BSD 发行的实现，包含在 FreeBSD 之中，这个分配程

序可以从预先确定大小的对象构成的池中分配对象。它有一些用于对象大小的 size 类，这

些对象的大小为 2 的若干次幂减去某一常数。所以，如果您请求给定大小的一个对象，它

就简单地分配一个与之匹配的 size 类。这样就提供了一个快速的实现，但是可能会浪费内

存。

据说这种算法可以消除内存空洞，因为它把原来的一个内存段，编程了多个内存段，从而减

小了内存空洞的影响，而性能下降不多。

有人尝试着将其移植到嵌入式 Linux 设备上，据说每个进程的内存的堆可以减少1/3，但是

否有负作用不清楚，有待检验。有兴趣的朋友可以尝试一下。