Linux内存使用详解
一提到内存管理，我们头脑中闪出的两个概念，就是虚拟内存，与物理内存。这两个概念主要来自于linux内核的支持。

Linux在内存管理上份为两级，一级是线性区，类似于00c73000-00c88000，对应于虚拟内存，它实际上不占用实际物理内存；一级是具体的物理页面，它对应我们机器上的物理内存。

这里要提到一个很重要的概念，内存的延迟分配。Linux内核在用户申请内存的时候，只是给它分配了一个线性区（也就是虚存），并没有分配实际物理内存；只有当用户使用这块内存的时候，内核才会分配具体的物理页面给用户，这时候才占用宝贵的物理内存。内核释放物理页面是通过释放线性区，找到其所对应的物理页面，将其全部释放的过程。

       char *p=malloc(2048)    //这里只是分配了虚拟内存2048，并不占用实际内存。

strcpy(p,”123”)         //分配了物理页面，虽然只是使用了3个字节，但内存还是为它分配了2048字节的物理内存。

free(p)                //通过虚拟地址，找到其所对应的物理页面，释放物理页面，释放线性区。

我们知道用户的进程和内核是运行在不同的级别，进程与内核之间的通讯是通过系统调用来完成的。进程在申请和释放内存，主要通过brk,sbrk,mmap,unmmap这几个系统调用，传递的参数主要是对应的虚拟内存。

注意一点，在进程只能访问虚拟内存，它实际上是看不到内核物理内存的使用，这对于进程是完全透明的。



glibc内存管理器

那么我们每次调用malloc来分配一块内存，都进行相应的系统调用呢？

答案是否定的，这里我要引入一个新的概念，glibc的内存管理器。

我们知道malloc和free等函数都是包含在glibc库里面的库函数，我们试想一下，每做一次内存操作，都要调用系统调用的话，那么程序将多么的低效。

实际上glibc采用了一种批发和零售的方式来管理内存。glibc每次通过系统调用的方式申请一大块内存（虚拟内存），当进程申请内存时，glibc就从自己获得的内存中取出一块给进程。

内存管理器面临的困难

我们在写程序的时候，每次申请的内存块大小不规律，而且存在频繁的申请和释放，这样不可避免的就会产生内存碎块。而内存碎块，直接会导致大块内存申请无法满足，从而更多的占用系统资源；如果进行碎块整理的话，又会增加cpu的负荷，很多都是互相矛盾的指标，这里我就不细说了。



我们在写程序时，涉及内存时，有两个概念heap和stack。传统的说法stack的内存地址是向下增长的，heap的内存地址是向上增长的。

函数malloc和free，主要是针对heap进行操作，由程序员自主控制内存的访问。

在这里heap的内存地址向上增长，这句话不完全正确。

glibc对于heap内存申请大于128k的内存申请，glibc采用mmap的方式向内核申请内存，这不能保证内存地址向上增长；小于128k的则采用brk，对于它来讲是正确的。128k的阀值，可以通过glibc的库函数进行设置。



这里我先讲大块内存的申请，也即对应于mmap系统调用。

对于大块内存申请，glibc直接使用mmap系统调用为其划分出另一块虚拟地址，供进程单独使用；在该块内存释放时，使用unmmap系统调用将这块内存释放，这个过程中间不会产生内存碎块等问题。



针对小块内存的申请，在程序启动之后，进程会获得一个heap底端的地址，进程每次进行内存申请时，glibc会将堆顶向上增长来扩展内存空间，也就是我们所说的堆地址向上增长。在对这些小块内存进行操作时，便会产生内存碎块的问题。实际上brk和sbrk系统调用，就是调整heap顶地址指针。



那么heap堆的内存是什么时候释放呢？

当glibc发现堆顶有连续的128k的空间是空闲的时候，它就会通过brk或sbrk系统调用，来调整heap顶的位置，将占用的内存返回给系统。这时，内核会通过删除相应的线性区，来释放占用的物理内存。



下面我要讲一个内存空洞的问题：

一个场景，堆顶有一块正在使用的内存，而下面有很大的连续内存已经被释放掉了，那么这块内存是否能够被释放？其对应的物理内存是否能够被释放？

很遗憾，不能。

这也就是说，只要堆顶的部分申请内存还在占用，我在下面释放的内存再多，都不会被返回到系统中，仍然占用着物理内存。为什么会这样呢？

这主要是与内核在处理堆的时候，过于简单，它只能通过调整堆顶指针的方式来调整调整程序占用的线性区；而又只能通过调整线性区的方式，来释放内存。所以只要堆顶不减小，占用的内存就不会释放。



提一个问题：

char *p=malloc(2);

free(p)

为什么申请内存的时候，需要两个参数，一个是内存大小，一个是返回的指针；而释放内存的时候，却只要内存的指针呢？

这主要是和glibc的内存管理机制有关。glibc中，为每一块内存维护了一个chunk的结构。glibc在分配内存时，glibc先填写chunk结构中内存块的大小，然后是分配给进程的内存。

chunk ------size

p------------ content

在进程释放内存时，只要  指针-4 便可以找到该块内存的大小，从而释放掉。

注：glibc在做内存申请时，最少分配16个字节，以便能够维护chunk结构。



glibc提供的调试工具：

为了方便调试，glibc 为用户提供了 malloc 等等函数的钩子（hook），如 __malloc_hook

对应的是一个函数指针，

void *function (size_t size, const void *caller)

其中 caller 是调用 malloc 返回值的接受者（一个指针的地址）。另外有 __malloc_initialize_hook函数指针，仅仅会调用一次（第一次分配动态内存时）。（malloc.h）



一些使用 malloc 的统计量（SVID 扩展）可以用 struct mallinfo 储存，

可调用获得。

struct mallinfo mallinfo (void)



如何检测 memory leakage？glibc 提供了一个函数

void mtrace (void)及其反作用void muntrace (void)

这时会依赖于一个环境变量 MALLOC_TRACE 所指的文件，把一些信息记录在该文件中

用于侦测 memory leakage，其本质是安装了前面提到的 hook。一般将这些函数用

#ifdef DEBUGGING 包裹以便在非调试态下减少开销。产生的文件据说不建议自己去读，

而使用 mtrace 程序（perl 脚本来进行分析）。下面用一个简单的例子说明这个过程，这是

源程序：

#include <stdio.h>

#include <stdlib.h>

#include <mcheck.h>

intmain( int argc, char *argv[] )

{

int *p, *q ;

#ifdef DEBUGGING

mtrace( ) ;

#endif

p = malloc( sizeof( int ) ) ;