malloc 是如何分配内存的？

Posted 2022-04-08 小林coding

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了malloc 是如何分配内存的？相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

作者：小林coding
图解计算机基础网站：https://xiaolincoding.com/

大家好，我是小林。

很早之前写了一篇图解虚拟内存的文章：真棒！20 张图揭开内存管理的迷雾，瞬间豁然开朗

最近想多写一些内存管理的文章，这次我们就以 malloc 动态内存分配为切入点，我在文中也做了小实验：

malloc 是如何分配内存的？
malloc 分配的是物理内存吗？
malloc(1) 会分配多大的内存？
free 释放内存，会归还给操作系统吗？
free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

发车！

Linux 进程的内存分布长什么样？

在 Linux 操作系统中，虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统，如下所示：

通过这里可以看出：

32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间；
64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

再来说说，内核空间与用户空间的区别：

进程在用户态时，只能访问用户空间内存；
只有进入内核态后，才可以访问内核空间的内存；

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

接下来，进一步了解虚拟空间的划分情况，用户空间和内核空间划分的方式是不同的，内核空间的分布情况就不多说了。

我们看看用户空间分布的情况，以 32 位系统为例，我画了一张图来表示它们的关系：

通过这张图你可以看到，用户空间内存从低到高分别是 6 种不同的内存段：

程序文件段，包括二进制可执行代码；
已初始化数据段，包括静态常量；
未初始化数据段，包括未初始化的静态变量；
堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长；
文件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关）；
栈段，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；

在这 6 个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的。比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。

malloc 是如何分配内存的？

实际上，malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。

malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存
方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存；

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：

方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图：

什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

malloc() 分配的是物理内存吗？

不是的，malloc() 分配的是虚拟内存。

如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，是不会将虚拟内存不会映射到物理内存，这样就不会占用物理内存了。

只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

malloc(1) 会分配多大的虚拟内存？

malloc() 在分配内存的时候，并不是老老实实按用户预期申请的字节数来分配内存空间大小，而是会预分配更大的空间作为内存池。

具体会预分配多大的空间，跟 malloc 使用的内存管理器有关系，我们就以 malloc 默认的内存管理器（Ptmalloc2）来分析。

接下里，我们做个实验，用下面这个代码，通过 malloc 申请 1字节的内存时，看看操作系统实际分配了多大的内存空间。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main() 
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());
  
  //申请1字节的内存
  void *addr = malloc(1);
  printf("此1字节的内存起始地址：%x\\n", addr);
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());
 
  //将程序阻塞，当输入任意字符时才往下执行
  getchar();

  //释放内存
  free(addr);
  printf("释放了1字节的内存，但heap堆并不会释放\\n");
  
  getchar();
  return 0;

执行代码：

我们可以通过 /proc//maps 文件查看进程的内存分布情况。我在 maps 文件通过此 1 字节的内存起始地址过滤出了内存地址的范围。

[root@xiaolin ~]# cat /proc/3191/maps | grep d730
00d73000-00d94000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

这个例子分配的内存小于 128 KB，所以是通过 brk() 系统调用向堆空间申请的内存，因此可以看到最右边有 [heap] 的标识。

可以看到，堆空间的内存地址范围是 00d73000-00d94000，这个范围大小是 132KB，也就说明了 malloc(1) 实际上预分配 132K 字节的内存。

可能有的同学注意到了，程序里打印的内存起始地址是 d73010，而 maps 文件显示堆内存空间的起始地址是 d73000，为什么会多出来 0x10 （16字节）呢？这个问题，我们先放着，后面会说。

free 释放内存，会归还给操作系统吗？

我们在上面的进程往下执行，看看通过 free() 函数释放内存后，堆内存还在吗？

从下图可以看到，通过 free 释放内存后，堆内存还是存在的，并没有归还给操作系统。

这是因为与其把这 1 字节释放给操作系统，不如先缓存着放进 malloc 的内存池里，当进程再次申请 1 字节的内存时就可以直接复用，这样速度快了很多。

当然，当进程退出后，操作系统就会回收进程的所有资源。

上面说的 free 内存后堆内存还存在，是针对 malloc 通过 brk() 方式申请的内存的情况。

如果 malloc 通过 mmap 方式申请的内存，free 释放内存后就会归归还给操作系统。

我们做个实验验证下，通过 malloc 申请 128 KB 字节的内存，来使得 malloc 通过 mmap 方式来分配内存。

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

int main() 
  //申请1字节的内存
  void *addr = malloc(128*1024);
  printf("此128KB字节的内存起始地址：%x\\n", addr);
  printf("使用cat /proc/%d/maps查看内存分配\\n",getpid());

  //将程序阻塞，当输入任意字符时才往下执行
  getchar();

  //释放内存
  free(addr);
  printf("释放了128KB字节的内存，内存也归还给了操作系统\\n");

  getchar();
  return 0;

执行代码：

查看进程的内存的分布情况，可以发现最右边没有 [head] 标志，说明是通过 mmap 以匿名映射的方式从文件映射区分配的匿名内存。

然后我们释放掉这个内存看看：

再次查看该 128 KB 内存的起始地址，可以发现已经不存在了，说明归还给了操作系统。

对于「malloc 申请的内存，free 释放内存会归还给操作系统吗？」这个问题，我们可以做个总结了：

malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

为什么不全部使用 mmap 来分配内存？

因为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。

另外，因为 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。

也就是说，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。

为了改进这两个问题，malloc 通过 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。

既然 brk 那么牛逼，为什么不全部使用 brk 来分配？

前面我们提到通过 brk 从堆空间分配的内存，并不会归还给操作系统，那么我们那考虑这样一个场景。

如果我们连续申请了 10k，20k，30k 这三片内存，如果 10k 和 20k 这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。

但是如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。

因此，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。

所以，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 (128KB) 才使用 mmap 分配内存空间。

free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

还记得，我前面提到， malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了 16 字节吗？

这个多出来的 16 字节就是保存了该内存块的描述信息，比如有该内存块的大小。

这样当执行 free() 函数时，free 会对传入进来的内存地址向左偏移 16 字节，然后从这个 16 字节的分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。