对内存空间地址各层理解.doc

内存分配的原理__Linux虚拟内存管理(glibc)_Linux的虚拟内存管理有几个关键概念_Linux 虚拟地址空间如何分布_malloc和free是如何分配和释放内存_如何查看堆内内存的碎片情况_既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配，munmap直接释放呢  
2013-02-18 21:03:06|  分类： Linux系统编程|举报|字号 订阅
Linux虚拟内存管理(glibc)
        在使用mysql作为DB开发的兑换券系统中，随着分区表的不断创建，发现mysqld出现了疑似“内存泄露”现象，但通过 valgrind 等工具检测后，并没发现类似的问题(最终原因是由于glibc的内存碎片造成)。

因此，需要深入学习 Linux 的虚拟内存管理方面的内容来解释这个现象；
Linux 的虚拟内存管理有几个关键概念： 
1、每个进程都有独立的虚拟地址空间，进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址； 
2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射，获得真正物理地址； 
3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，真正分配物理地址，同时更新进程的页表；如果此时物理内存已耗尽，则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。 

基于以上认识，进行了如下分析：
一、Linux 虚拟地址空间如何分布？
Linux 使用虚拟地址空间，大大增加了进程的寻址空间，由低地址到高地址分别为： 
1、只读段：该部分空间只能读，不可写；(包括：代码段、rodata 段(C常量字符串和#define定义的常量) )
2、数据段：保存全局变量、静态变量的空间； 
3、堆 ：就是平时所说的动态内存， malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。 
4、文件映射区域 ：如动态库、共享内存等映射物理空间的内存，一般是 mmap 函数所分配的虚拟地址空间。 
5、栈：用于维护函数调用的上下文空间，一般为 8M ，可通过 ulimit –s 查看。 
6、内核虚拟空间：用户代码不可见的内存区域，由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。
下图是 32 位系统典型的虚拟地址空间分布(来自《深入理解计算机系统》)。

32 位系统有4G 的地址空间::
      其中 0x08048000~0xbfffffff 是用户空间，0xc0000000~0xffffffff 是内核空间，包括内核代码和数据、与进程相关的数据结构（如页表、内核栈）等。另外，%esp 执行栈顶，往低地址方向变化；brk/sbrk 函数控制堆顶_edata往高地址方向变化。

64位系统结果怎样呢？ 64 位系统是否拥有 2^64 的地址空间吗？ 
事实上， 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变： 
1、地址空间大小不是2^32，也不是2^64，而一般是2^48。因为并不需要 2^64 这么大的寻址空间，过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间，40位表示物理地址，
这可通过 /proc/cpuinfo 来查看 
address sizes   : 40 bits physical, 48 bits virtual 
2、其中，0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间， 0xFFFF800000000000~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间，共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。
这两个区间的特点是，第 47 位与 48~63 位相同，若这些位为 0 表示用户空间，否则表示内核空间。 
3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈；

二、malloc和free是如何分配和释放内存？
参看博客：

三、如何查看堆内内存的碎片情况 ？
glibc 提供了以下结构和接口来查看堆内内存和 mmap 的使用情况。 
struct mallinfo { 
  int arena;            /* non-mmapped space allocated from system */ 
  int ordblks;         /* number of free chunks */ 
  int smblks;          /* number of fastbin blocks */ 
  int hblks;             /* number of mmapped regions */ 
  int hblkhd;           /* space in mmapped regions */ 
  int usmblks;        /* maximum total allocated space */ 
  int fsmblks;         /* space available in freed fastbin blocks */ 
  int uordblks;        /* total allocated space */ 
  int fordblks;         /* total free space */ 
  int keepcost;       /* top-most, releasable (via malloc_trim) space */ 
};
/*返回heap(main_arena)的内存使用情况，以 mallinfo 结构返回 */ 
struct mallinfo mallinfo();
/* 将heap和mmap的使用情况输出到stderr*/ 
void malloc_stats();
可通过以下例子来验证mallinfo和malloc_stats输出结果。 
#include <stdlib.h> 
#include <stdio.h> 
#include <string.h> 
#include <unistd.h> 
#include <sys/mman.h> 
#include <malloc.h>
size_t  heap_malloc_total, heap_free_total,mmap_total, mmap_count;
void print_info() 
{ 
    struct mallinfo mi = mallinfo(); 

    printf("count by itself:\n"); 
    printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n", 
              heap_malloc_total*1024, heap_free_total*1024, heap_malloc_total*1024-heap_free_total*1024,
              mmap_total*1024, mmap_count); 

 printf("count by mallinfo:\n"); 
 printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n", 
             mi.arena, mi.fordblks, mi.uordblks, 
             mi.hblkhd, mi.hblks); 

 printf("from malloc_stats:\n"); 
 malloc_stats(); 
}
#define ARRAY_SIZE 200 
int main(int argc, char** argv) 
{ 
    char** ptr_arr[ARRAY_SIZE]; 
    int i; 
    for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) 
    { 
            ptr_arr[i] = malloc(i * 1024); 
            if ( i < 128)                                      //glibc默认128k以上使用mmap
            {
                    heap_malloc_total += i; 
            }
            else 
            {
                    mmap_total += i; 
                   mmap_count++; 
            } 
    } 
    print_info(); 

    for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) 
    { 
           if ( i % 2 == 0) 
                continue; 
           free(ptr_arr[i]);
           if ( i < 128) 
           {
                   heap_free_total += i; 
           }
           else 
           { 
                  mmap_total -= i; 
                  mmap_count--; 
           } 
    } 

    printf("\nafter free\n"); 
    print_info(); 

    return 1; 
}
该例子第一个循环为指针数组每个成员分配索引位置 (KB) 大小的内存块，并通过 128 为分界分别对 heap 和 mmap 内存分配情况进行计数；
第二个循环是 free 索引下标为奇数的项，同时更新计数情况。通过程序的计数与mallinfo/malloc_stats 接口得到结果进行对比，并通过 print_info打印到终端。

下面是一个执行结果： 
count by itself: 
        heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=0 heap_in_use=8323072 
        mmap_total=12054528 mmap_count=72 

count by mallinfo: 
        heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=2032 heap_in_use=8325136 
        mmap_total=12238848 mmap_count=72
from malloc_stats: 
Arena 0: 
system bytes     =    8327168 
in use bytes     =    8325136 
Total (incl. mmap): 
system bytes     =   20566016 
in use bytes     =   20563984 
max mmap regions =         72 
max mmap bytes   =   12238848
after free 
count by itself: 
        heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=4194304 heap_in_use=4128768 
        mmap_total=6008832 mmap_count=36
count by mallinfo: 
        heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=4197360 heap_in_use=4129808 
        mmap_total=6119424 mmap_count=36
from malloc_stats: 
Arena 0: 
system bytes     =    8327168 
in use bytes     =    4129808 
Total (incl. mmap): 
system bytes     =   14446592 
in use bytes     =   10249232 
max mmap regions =         72 
max mmap bytes   =   12238848
由上可知，程序统计和mallinfo 得到的信息基本吻合，其中 heap_free_total 表示堆内已释放的内存碎片总和。 

       如果想知道堆内究竟有多少碎片，可通过 mallinfo 结构中的 fsmblks 、smblks 、ordblks 值得到，这些值表示不同大小区间的碎片总个数，这些区间分别是 0~80 字节，80~512 字节，512~128k 。如果 fsmblks 、 smblks 的值过大，那碎片问题可能比较严重了。 
    不过， mallinfo 结构有一个很致命的问题，就是其成员定义全部都是 int ，在 64 位环境中，其结构中的 uordblks/fordblks/arena/usmblks 很容易就会导致溢出，应该是历史遗留问题，使用时要注意！

四、既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配，munmap直接释放呢？ 
        既然堆内碎片不能直接释放，导致疑似“内存泄露”问题，为什么 malloc 不全部使用 mmap 来实现呢(mmap分配的内存可以会通过 munmap 进行 free ，实现真正释放)？而是仅仅对于大于 128k 的大块内存才使用 mmap ？ 
        其实，进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap 都是系统调用，频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且， mmap 申请的内存被 munmap 后，重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配 1M 空间，第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ，当munmap 后再次分配 1M 空间，会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为，会导致内核态CPU消耗较大。另外，如果使用 mmap 分配小内存，会导致地址空间的分片更多，内核的管理负担更大。
        同时堆是一个连续空间，并且堆内碎片由于没有归还 OS ，如果可重用碎片，再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断，这将大大降低 CPU 的消耗。 因此， glibc 的 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 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>) 来修改这个临界值。

五、如何查看进程的缺页中断信息？ 
可通过以下命令查看缺页中断信息 
ps -o majflt,minflt -C <program_name> 
ps -o majflt,minflt -p <pid> 
其中:: majflt 代表 major fault ，指大错误；
           minflt 代表 minor fault ，指小错误。
这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数。
其中 majflt 与 minflt 的不同是::
        majflt 表示需要读写磁盘，可能是内存对应页面在磁盘中需要load 到物理内存中，也可能是此时物理内存不足，需要淘汰部分物理页面至磁盘中。
参看:: 

六、除了 glibc 的 malloc/free ，还有其他第三方实现吗？
        其实，很多人开始诟病 glibc 内存管理的实现，特别是高并发性能低下和内存碎片化问题都比较严重，因此，陆续出现一些第三方工具来替换 glibc 的实现，最著名的当属 google 的tcmalloc和facebook 的jemalloc 。 
        网上有很多资源，可以自己查(只用使用第三方库，代码不用修改，就可以使用第三方库中的malloc)。

参考资料： 
《深入理解计算机系统》第 10 章 
http://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/x86_64/mm.txt