虛擬內存管理回顧

在 Linux 操作系統中，虛擬地址空間的內部又被分為內核空間和用戶空間兩部分，不同位數的系統，地址空間的范圍也不同。比如最常見的 32 位和 64 位系統，如下所示：

通過這里可以看出：

• 32 位系統的內核空間占用 1G，位于最高處，剩下的 3G 是用戶空間；
• 64 位系統的內核空間和用戶空間都是 128T，分別占據整個內存空間的最高和最低處，剩下的中間部分是未定義的。

再來說說，內核空間與用戶空間的區別：

• 進程在用戶態時，只能訪問用戶空間內存；
• 只有進入內核態后，才可以訪問內核空間的內存；

雖然每個進程都各自有獨立的虛擬內存，但是每個虛擬內存中的內核地址，其實關聯的都是相同的物理內存。這樣，進程切換到內核態后，就可以很方便地訪問內核空間內存。

我們看看用戶空間分布的情況，以 32 位系統：

通過這張圖你可以看到，用戶空間內存，從低到高分別是 6 種不同的內存段：

• 0x0000 0000 到 0x0804 8000 這段虛擬內存地址是一段不可訪問的保留區，因為在大多數操作系統中，數值比較小的地址通常被認為不是一個合法的地址，這塊小地址是不允許訪問的。比如在 C 語言中我們通常會將一些無效的指針設置為 NULL，指向這塊不允許訪問的地址。
• 代碼段，包括二進制可執行代碼；
• 數據段，包括已初始化的靜態常量和全局變量；
• BSS 段，包括未初始化的靜態變量和全局變量；
• 堆段，包括動態分配的內存，從低地址開始向上增長；
• 堆空間的上邊是一段待分配區域，用于擴展堆空間的使用
• 文件映射段，包括動態庫、共享內存等，從低地址開始向上增長
• 棧段，包括局部變量和函數調用的上下文等。棧的大小是固定的，一般是 8 MB。當然系統也提供了參數，以便我們自定義大小；

申請內存的兩種方式

申請內存空間一般就兩種方法，一種是malloc，另一種是 mmap映射空間。 在使用malloc()分配內存的時候，可能系統調用brk()，也可能調用mmap()。

malloc的調用規律

1. 即分配一塊小型內存(小于或等于128kb)，malloc()會調用brk 函數將 堆頂 指針向高地址移動，獲得新的內存空間。

2. 當分配一塊大型內存(大于128kb)，mmap() 系統調用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射區分配一塊內存

申請內存過程圖

需要注意的是，malloc() 分配的是虛擬內存。

如果分配后的虛擬內存沒有被訪問的話，虛擬內存是不會映射到物理內存的，這樣就不會占用物理內存了。

只有在訪問已分配的虛擬地址空間的時候，操作系統通過查找頁表，發現虛擬內存對應的頁沒有在物理內存中，就會觸發缺頁中斷，然后操作系統會建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。

缺頁中斷就是要訪問的頁不在主存，需要操作系統將其調入主存后再進行訪問。在這個時候，被內存映射的文件實際上成了一個分頁交換文件。

malloc 申請的內存，free 釋放內存會歸還給操作系統嗎

• malloc 通過 brk() 方式申請的內存，free 釋放內存的時候，并不會把內存歸還給操作系統，而是緩存在 malloc 的內存池中，待下次使用；
• malloc 通過 mmap() 方式申請的內存，free 釋放內存的時候，會把內存歸還給操作系統，內存得到真正的釋放。

mmap 和 brk 分配內存的區別

mmap 來分配內存的問題

mmap 分配的內存每次釋放的時候，都會歸還給操作系統，于是每次 mmap 分配的虛擬地址都是缺頁狀態的，然后在第一次訪問該虛擬地址的時候，就會觸發缺頁中斷。

也就是說，頻繁通過 mmap 分配的內存話，不僅每次都會發生運行態的切換，還會發生缺頁中斷（在第一次訪問虛擬地址后），這樣會導致 CPU 消耗較大。

為了改進這兩個問題，malloc 通過 brk() 系統調用在堆空間申請內存的時候，由于堆空間是連續的，所以直接預分配更大的內存來作為內存池，當內存釋放的時候，就緩存在內存池中。

等下次在申請內存的時候，就直接從內存池取出對應的內存塊就行了，而且可能這個內存塊的虛擬地址與物理地址的映射關系還存在，這樣不僅減少了系統調用的次數，也減少了缺頁中斷的次數，這將大大降低 CPU 的消耗。

只使用 brk 來分配內存的問題

前面我們提到通過 brk 從堆空間分配的內存，并不會歸還給操作系統，那么我們那考慮這樣一個場景。

如果我們連續申請了 10k，20k，30k 這三片內存，如果 10k 和 20k 這兩片釋放了，變為了空閑內存空間，如果下次申請的內存小于 30k，那么就可以重用這個空閑內存空間。

但是如果下次申請的內存大于 30k，沒有可用的空閑內存空間，必須向 OS 申請，實際使用內存繼續增大。

因此，隨著系統頻繁地 malloc 和 free ，尤其對于小塊內存，堆內將產生越來越多不可用的碎片，導致“內存泄露”。而這種“泄露”現象使用 valgrind 是無法檢測出來的。

所以，malloc 實現中，充分考慮了 brk 和 mmap 行為上的差異及優缺點，默認分配大塊內存 (128KB) 才使用 mmap 分配內存空間。