【基础】关于Linux平台malloc的写时拷贝(延迟分配)

本文介绍了Linux内核中的零页面概念及其如何实现物理页面的延迟分配。文章详细解释了动态内存分配的过程,尤其是通过glibc库的malloc函数进行内存分配的具体机制,并讨论了内存不足时的应用层判断难题。

摘要生成于 C知道 ,由 DeepSeek-R1 满血版支持, 前往体验 >

Linux内核定义了“零页面”(内容全为0的一个物理页,且物理地址固定),应用层的内存分配请求,如栈扩展、堆分配、静态分配等,分配线性地址后,就将页表项条目指向“零页面”(指定初始值的情况除外),这样“零页面”就被所有进程共享,当向页面执行写入操作时,内核就会新分配一个物理页,实行“写时拷贝”操作,这样就实现了物理页面的延迟分配(如果只有读没有写,则无需另分配物理页)。

动态内存通过glibc库的malloc函数分配,当现有地址空间不够时(即malloc维护的空闲链表中没有足够空间),就调用brk/sbrk扩展进程空间的相关线性区段,然后将对应页表项条目指向“零页面”,写操作时再分配新页面。这样,只要进程空间足够大,malloc操作总是成功的——即使申请的内存大于系统物理内存——失败会发生在为“写时拷贝”分配新页面的时候,当系统可分配内存不足时,且有进程要求分配新页面,内核会Kill该进程,并打印类似“Out of Memory: Killed process xx (xxx).”的信息。这就是Linux的“OOM Killer”特性。

       因此不能通过检测malloc的指针是否为NULL,来判定系统能否支持申请的内存大小(即空闲内存大于申请内存)。

 

 

malloc操作示意图

malloc操作示意图

malloc分配的这种机制,给应用层判断动态内存是否可分配增加了难度。因为内存不足的错误被延迟到写入操作的时候,而在这里内核没有提供相关接口给应用层(只是发送SEGV信号给临死的进程)。

Linux 内存管理是操作系统中至关重要的一部分,它负责高效地分配、管理和回收物理内存和虚拟内存资源。理解 Linux 内存管理的基础概念与工作原理,有助于更好地掌握系统性能优化和进程调度机制。 ### 虚拟内存与物理内存Linux 中,每个进程都有自己的**虚拟地址空间**,这使得进程可以访问比实际物理内存更大的内存范围。虚拟内存通过页表映射到物理内存,这种机制被称为**虚拟内存到物理内存的映射**。虚拟内存的一个重要特性是支持“写时拷贝”(Copy-on-Write),即多个进程共享同一块物理内存页,只有当某个进程尝试修改该页时,才会复制一份新的页供其使用[^1]。 ### 地址空间与页表 Linux 使用**分页机制**来管理内存,将虚拟地址划分为多个固定大小的页(通常是 4KB)。每个进程的虚拟地址空间由一个称为**页表**的数据结构维护,它记录了虚拟页与物理页之间的映射关系。页表由硬件(MMU)自动查找,用于将虚拟地址转换为物理地址。 ### 内存映射类型 Linux 支持两种主要的内存映射方式: - **文件映射(File-backed Mapping)**:将文件内容映射到进程的地址空间,适用于如程序执行、共享库等场景。 - **匿名映射(Anonymous Mapping)**:不与任何文件关联,通常用于进程堆栈、malloc 分配内存等[^3]。 ### 缺页异常处理 Linux内存分配上采用“延迟分配”策略。当进程首次访问某段虚拟内存时,若尚未分配对应的物理页,会触发**缺页异常(Page Fault)**。内核随后响应异常,分配所需的物理页并更新页表,使进程得以继续执行。 ### 物理内存管理 Linux 的物理内存管理依赖于多个核心组件和机制: - **Memblock**:早期启动阶段使用的物理内存分配器,用于初始化内存模型和保留特定区域。 - **Buddy 系统**:用于管理物理内存页的分配与释放,通过合并相邻空闲页减少碎片。 - **Slab 分配器**:专为频繁分配/释放的小对象设计,提高效率并减少内存浪费。 - **Vmalloc 分配器**:用于分配非连续的物理内存页,但在虚拟地址空间上连续,适用于大块内存需求[^4]。 ### 内存管理子系统初始化流程 Linux 启动过程中,内存管理子系统经历了多个阶段的初始化,包括: 1. `start_kernel` 函数调用后进入内存初始化阶段; 2. 初始化固定映射区(fixmap); 3. Memblock 初始化与预留内存配置; 4. CMA(Contiguous Memory Allocator)分配器初始化; 5. 分页机制初始化(paging_init); 6. 区域(zone)初始化; 7. Per-CPU 分配器、备选区域、Buddy 系统、Slab 分配器和 Vmalloc 分配器依次初始化[^4]。 ### GPU 内存管理:TTM 与 GEM 除了通用内存管理外,Linux 还支持专门用于 GPU 的内存管理框架: - **GEM(Graphics Execution Manager)**:提供基本的内存分配与同步机制,适用于现代 GPU。 - **TTM(Translation Table Maps)**:构建在 GEM 之上,支持更复杂的 GPU 内存管理,如显存迁移、缓存一致性控制等[^2]。 ### 示例代码:查看当前系统的内存信息 可以通过 `/proc/meminfo` 查看系统的内存使用情况: ```bash cat /proc/meminfo ``` 输出示例如下: ``` MemTotal: 8192000 kB MemFree: 1048576 kB Buffers: 204800 kB Cached: 3145728 kB ... ``` 这些信息反映了系统的总内存、空闲内存、缓冲区和缓存等关键指标。 ---
评论
添加红包

请填写红包祝福语或标题

红包个数最小为10个

红包金额最低5元

当前余额3.43前往充值 >
需支付:10.00
成就一亿技术人!
领取后你会自动成为博主和红包主的粉丝 规则
hope_wisdom
发出的红包
实付
使用余额支付
点击重新获取
扫码支付
钱包余额 0

抵扣说明:

1.余额是钱包充值的虚拟货币,按照1:1的比例进行支付金额的抵扣。
2.余额无法直接购买下载,可以购买VIP、付费专栏及课程。

余额充值