malloc底层实现
2016-07-21 17:12
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很早之前看了malloc的底层实现,很多同学在面试的时候也会问道,最近整理出来进行,方便大家查看和了解,部分内容摘自他人博客。
其实总的来说,malloc早不同的系统上还有微小的区别,实质malloc底层内存的分配和STL中的空间配置器很类似,具体来看一看:
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来开辟空间、
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。
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:
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。
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:
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,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。
其实总的来说,malloc早不同的系统上还有微小的区别,实质malloc底层内存的分配和STL中的空间配置器很类似,具体来看一看:
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来开辟空间、
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。
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:
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。
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:
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,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。
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