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：

1 2	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。

1 2	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，

1	void*function(size_t size, constvoid*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。

1	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：

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

#include #include #include intmain(intargc, char *argv[] ) {   int*p, *q ;   #ifdef DEBUGGING   mtrace( ) ;   #endif   p = malloc( sizeof( int) ) ;   q = malloc( sizeof( int) ) ;   printf("p = %p\nq = %p\n", p, q ) ;   *p = 1 ;   *q = 2 ;   free( p ) ;   return0 ; }

很简单的程序，其中 q 没有被释放。我们设置了环境变量后并且 touch 出该文件

执行结果如下：

p = 0x98c0378q = 0x98c0388

该文件内容如下

1 2 3 4

= Start @./test30:[0x8048446] + 0x98c03780x4 @./test30:[0x8048455] + 0x98c03880x4 @./test30:[0x804848f] - 0x98c0378

到这里我基本上讲完了，我们写程序时，数据部分内存使用的问题。