Linux内存分配原理

答案

Linux的虚拟内存管理有几个关键问题:

  • 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 ?

Linux 的虚拟内存管理有几个关键概念:

  • 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;

  • 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;

  • 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。

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:

  • 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) )

  • 数据段:保存全局变量、静态变量的空间;

  • 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 brksbrk 进行动态调整。

  • 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。

  • 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。

  • 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》)。

Linux内存分配原理

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

  1. cat /proc/cpuinfo

来查看。

Linux内存分配原理2

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?

如何查看进程发生缺页中断的次数?

用下面的命令查看

  1. # ps -o majflt,minflt -C program

Linux内存分配原理3

  • majflt代表major fault,中文名叫大错误,

  • minflt代表minor fault,中文名叫小错误。

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。

可以用命令

  1. ps -o majflt minflt -C program

来查看进程的majflt, minflt的值,这两个值都是累加值,从进程启动开始累加。在对高性能要求的程序做压力测试的时候,我们可以多关注一下这两个值。

如果一个进程使用了mmap将很大的数据文件映射到进程的虚拟地址空间,我们需要重点关注majflt的值,因为相比minflt,majflt对于性能的损害是致命的,随机读一次磁盘的耗时数量级在几个毫秒,而minflt只有在大量的时候才会对性能产生影响。

发成缺页中断后,执行了那些操作?

当一个进程发生缺页中断的时候,进程会陷入内核态,执行以下操作:

  • 检查要访问的虚拟地址是否合法

  • 查找/分配一个物理页

  • 填充物理页内容(读取磁盘,或者直接置0,或者啥也不干)

  • 建立映射关系(虚拟地址到物理地址) 重新执行发生缺页中断的那条指令,如果第3步,需要读取磁盘,那么这次缺页中断就是majflt,否则就是minflt。

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:brkmmap(不考虑共享内存)。

  • brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推;

  • mmap是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。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。

在标准C库中,提供了malloc/free函数分配释放内存,这两个函数底层是由brk,mmap,munmap这些系统调用实现的。

下面以一个例子来说明内存分配的原理:

情况一、malloc小于128k的内存,使用brk分配内存,将_edata往高地址推(只分配虚拟空间,不对应物理内存(因此没有初始化),第一次读/写数据时,引起内核缺页中断,内核才分配对应的物理内存,然后虚拟地址空间建立映射关系),如下图:

Linux内存分配原理4

  • 进程启动的时候,其(虚拟)内存空间的初始布局如图1所示。 其中,mmap内存映射文件是在堆和栈的中间(例如libc-2.2.93.so,其它数据文件等),为了简单起见,省略了内存映射文件。 _edata指针(glibc里面定义)指向数据段的最高地址。

  • 进程调用A=malloc(30K)以后,内存空间如图2: malloc函数会调用brk系统调用,将_edata指针往高地址推30K,就完成虚拟内存分配。 你可能会问:只要把_edata+30K就完成内存分配了? 事实是这样的,_edata+30K只是完成虚拟地址的分配,A这块内存现在还是没有物理页与之对应的,等到进程第一次读写A这块内存的时候,发生缺页中断,这个时候,内核才分配A这块内存对应的物理页。也就是说,如果用malloc分配了A这块内容,然后从来不访问它,那么,A对应的物理页是不会被分配的。

  • 进程调用B=malloc(40K)以后,内存空间如图3。

情况二、malloc大于128k的内存,使用mmap分配内存,在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存,而且初始化为0),如下图:

Linux内存分配原理5

  • 进程调用C=malloc(200K)以后,内存空间如图4: 默认情况下,malloc函数分配内存,如果请求内存大于128K(可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节),那就不是去推_edata指针了,而是利用mmap系统调用,从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。 这样子做主要是因为:: brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放(例如,在B释放之前,A是不可能释放的,这就是内存碎片产生的原因,什么时候紧缩看下面),而mmap分配的内存可以单独释放。 当然,还有其它的好处,也有坏处,再具体下去,有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。

  • 进程调用D=malloc(100K)以后,内存空间如图5;

  • 进程调用free(C)以后,C对应的虚拟内存和物理内存一起释放。

Linux内存分配原理6

  • 进程调用free(B)以后,如图7所示: B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放,因为只有一个_edata指针,如果往回推,那么D这块内存怎么办呢? 当然,B这块内存,是可以重用的,如果这个时候再来一个40K的请求,那么malloc很可能就把B这块内存返回回去了。

  • 进程调用free(D)以后,如图8所示: B和D连接起来,变成一块140K的空闲内存。

  • 默认情况下: 当最高地址空间的空闲内存超过128K(可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节)时,执行内存紧缩操作(trim)。在上一个步骤free的时候,发现最高地址空闲内存超过128K,于是内存紧缩,变成图9所示。

真相大白

说完内存分配的原理,那么被测模块在内核态cpu消耗高的原因就很清楚了:每次请求来都malloc一块2M的内存,默认情况下,malloc调用mmap分配内存,请求结束的时候,调用munmap释放内存。假设每个请求需要6个物理页,那么每个请求就会产生6个缺页中断,在2000的压力下,每秒就产生了10000多次缺页中断,这些缺页中断不需要读取磁盘解决,所以叫做minflt;缺页中断在内核态执行,因此进程的内核态cpu消耗很大。缺页中断分散在整个请求的处理过程中,所以表现为分配语句耗时(10us)相对于整条请求的处理时间(1000us)比重很小。

解决办法

将动态内存改为静态分配,或者启动的时候,用malloc为每个线程分配,然后保存在threaddata里面。但是,由于这个模块的特殊性,静态分配,或者启动时候分配都不可行。另外,Linux下默认栈的大小限制是10M,如果在栈上分配几M的内存,有风险。 禁止malloc调用mmap分配内存,禁止内存紧缩。在进程启动时候,加入以下两行代码:

  1. mallopt(M_MMAP_MAX, 0); // 禁止malloc调用mmap分配内存
  2. mallopt(M_TRIM_THRESHOLD, -1); // 禁止内存紧缩

效果:加入这两行代码以后,用ps命令观察,压力稳定以后,majlt和minflt都为0。进程的系统态cpu从20降到10。

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。

  1. struct mallinfo {
  2. int arena; /* non-mmapped space allocated from system */
  3. int ordblks; /* number of free chunks */
  4. int smblks; /* number of fastbin blocks */
  5. int hblks; /* number of mmapped regions */
  6. int hblkhd; /* space in mmapped regions */
  7. int usmblks; /* maximum total allocated space */
  8. int fsmblks; /* space available in freed fastbin blocks */
  9. int uordblks; /* total allocated space */
  10. int fordblks; /* total free space */
  11. int keepcost; /* top-most, releasable (via malloc_trim) space */
  12. };
  13. /*返回heap(main_arena)的内存使用情况,以 mallinfo 结构返回 */
  14. struct mallinfo mallinfo();
  15. /* 将heap和mmap的使用情况输出到stderr*/
  16. void malloc_stats();
  17. 可通过以下例子来验证mallinfomalloc_stats输出结果。
  18. #include <stdlib.h>
  19. #include <stdio.h>
  20. #include <string.h>
  21. #include <unistd.h>
  22. #include <sys/mman.h>
  23. #include <malloc.h>
  24. size_t heap_malloc_total, heap_free_total,mmap_total, mmap_count;
  25. void print_info()
  26. {
  27. struct mallinfo mi = mallinfo();
  28. printf("count by itself:\n");
  29. printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
  30. heap_malloc_total*1024, heap_free_total*1024, heap_malloc_total*1024-heap_free_total*1024,
  31. mmap_total*1024, mmap_count);
  32. printf("count by mallinfo:\n");
  33. printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
  34. mi.arena, mi.fordblks, mi.uordblks,
  35. mi.hblkhd, mi.hblks);
  36. printf("from malloc_stats:\n");
  37. malloc_stats();
  38. }
  39. #define ARRAY_SIZE 200
  40. int main(int argc, char** argv)
  41. {
  42. char** ptr_arr[ARRAY_SIZE];
  43. int i;
  44. for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
  45. {
  46. ptr_arr[i] = malloc(i * 1024);
  47. if ( i < 128) //glibc默认128k以上使用mmap
  48. {
  49. heap_malloc_total += i;
  50. }
  51. else
  52. {
  53. mmap_total += i;
  54. mmap_count++;
  55. }
  56. }
  57. print_info();
  58. for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++)
  59. {
  60. if ( i % 2 == 0)
  61. continue;
  62. free(ptr_arr[i]);
  63. if ( i < 128)
  64. {
  65. heap_free_total += i;
  66. }
  67. else
  68. {
  69. mmap_total -= i;
  70. mmap_count--;
  71. }
  72. }
  73. printf("\nafter free\n");
  74. print_info();
  75. return 1;
  76. }

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:

  1. count by itself:
  2. heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=0 heap_in_use=8323072
  3. mmap_total=12054528 mmap_count=72
  4. count by mallinfo:
  5. heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=2032 heap_in_use=8325136
  6. mmap_total=12238848 mmap_count=72
  7. from malloc_stats:
  8. Arena 0:
  9. system bytes = 8327168
  10. in use bytes = 8325136
  11. Total (incl. mmap):
  12. system bytes = 20566016
  13. in use bytes = 20563984
  14. max mmap regions = 72
  15. max mmap bytes = 12238848
  16. after free
  17. count by itself:
  18. heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=4194304 heap_in_use=4128768
  19. mmap_total=6008832 mmap_count=36
  20. count by mallinfo:
  21. heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=4197360 heap_in_use=4129808
  22. mmap_total=6119424 mmap_count=36
  23. from malloc_stats:
  24. Arena 0:
  25. system bytes = 8327168
  26. in use bytes = 4129808
  27. Total (incl. mmap):
  28. system bytes = 14446592
  29. in use bytes = 10249232
  30. max mmap regions = 72
  31. 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, ) 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

  1. ps -o majflt,minflt -C <program_name>
  2. 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。

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