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malloc分配内存的两种方式——brk、mmap

🕗 发布于 2024-10-08 19:58 linux  

进程的虚拟内存分布

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，直接将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；
  • mmap，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。
  • 如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。
  • 只有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。

 

两种分配方式调用的时机 

  • malloc小于128k的内存，使用brk分配内存
  • malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存

brk与mmap分配内存的区别

  • brk在堆上的连续空间分配内存，mmap在文件映射区域分配内存
  • brk分配的内存使用free释放后并不会立马归还给os，而是缓存到内存池中
  • mmap分配的内存使用free释放后会立马归还给os

为什么不全部使用mmap分配内存

  • 向操作系统申请内存，是要通过系统调用的，执行系统调用是要进入内核态的，然后在回到用户态，运行态的切换会耗费不少时间。所以，申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用 mmap 来分配内存，等于每次都要执行系统调用。
  • mmap 分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。

频繁通过 mmap 分配的内存话，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致 CPU 消耗较大。

 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。

等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低 CPU 的消耗。

为什么不全部使用brk分配内存

如上图所示，随着系统频繁地 malloc 和 free ，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。

内存映射

Linux 通过将一个虚拟内存区域与一个磁盘上的对象（object）关联起来，以初始化这个虚拟内存区域的内容，这个过程称为内存映射（memory mapping），虚拟内存区域可以映射到两种类型的对象中的一种：

  1. Linux 文件系统中的普通文件：一个区域可以映射到一个普通磁盘文件的连续部分，例如一个可执行目标文件。文件区（section）被分成页大小的片，每一片包含一个虚拟页面的初始内容。因为按需进行页面调度，所以这些虚拟页面没有实际交换进入物理内存，直到 CPU 第一次引用到页面（即发射一个虚拟地址，落在地址空间这个页面的范围之内）。如果区域比文件区要大，那么就用零来填充这个区域的余下部分。

  2. 匿名文件：一个区域也可以映射到一个匿名文件，匿名文件是由内核创建的，包含的全是二进制零。CPU 第一次引用这样一个区域内的虚拟页面时，内核就在物理内存中找到一个合适的牺牲页面，如果该页面被修改过，就将这个页面换出来，用二进制零覆盖牺牲页面并更新页表，将这个页面标记为是驻留在内存中的。注意在磁盘和内存之间并没有实际的数据传送。因为这个原因，映射到匿名文件的区域中的页面有时也叫做请求二进制零的页（demand-zero page）。

无论在哪种情况中，一旦一个虚拟页面被初始化了，它就在一个由内核维护的专门的交换文件（swap file）之间换来换去。交换文件也叫做交换空间（swap space）或者交换区域（swap area）。需要意识到的很重要的一点是，在任何时刻，交换空间都限制着当前运行着的进程能够分配的虚拟页面的总数。

mmap与munmap

mmap 函数要求内核创建一个新的虚拟内存区域，最好是从地址 start 开始的一个区域，并将文件描述符 fd 指定的对象的一个连续的片（chunk）映射到这个新的区域。

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags,
           int fd, off_t offset);

// 返回：若成功时则为指向映射区域的指针，若出错则为 MAP_FAILED(-1)。

连续的对象片大小为 length 字节，从距文件开始处偏移量为 offset 字节的地方开始。start 地址仅仅是一个暗示，通常被定义为 NULL。为了我们的目的，我们总是假设起始地址为 NULL。如下图所示

参数 prot 包含描述新映射的虚拟内存区域的访问权限位（即在相应区域结构中的 vm_prot 位）。

  • PROT_EXEC：这个区域内的页面由可以被 CPU 执行的指令组成。

  • PROT_READ：这个区域内的页面可读。

  • PROT_WRITE：这个区域内的页面可写。

  • PROT_NONE：这个区域内的页面不能被访问。

参数 flags 由描述被映射对象类型的位组成。如果设置了 MAP_ANON 标记位，那么被映射的对象就是一个匿名对象，而相应的虚拟页面是请求二进制零的。MAP_PRI-VATE 表示被映射的对象是一个私有的、写时复制的对象，而 MAP_SHARED 表示是一个共享对象。例如

bufp = Mmap(NULL, size, PROT_READ, MAP_PRIVATE|MAP_ANON, 0, 0);

让内核创建一个新的包含 size 字节的只读、私有、请求二进制零的虚拟内存区域。如果调用成功，那么 bufp 包含新区域的地址。

munmap 函数删除虚拟内存的区域

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>

int munmap(void *start, size_t length);

// 返回：若成功则为 0，若出错则为 -1。

munmap 函数删除从虚拟地址 start 开始的，由接下来 length 字节组成的区域。接下来对已删除区域的引用会导致段错误。

参考

4.2 malloc 是如何分配内存的？ | 小林coding (xiaolincoding.com)

9.8 内存映射 | 深入理解计算机系统（CSAPP） (gitbook.io)


原文地址：https://blog.csdn.net/qq_58158950/article/details/142751390

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