Glibc 的malloc源代码分析

本文详细分析了glibc中malloc的内存分配与释放过程,特别是针对小于128k块的内存管理和大于128k块的mmap分配策略。并解释了测试程序在循环分配与释放内存过程中占用大量内存的原因,以及如何通过额外分配与释放操作解决内存泄露问题。

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


有人写了一个测试程序

#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <malloc.h>

main()
{
  int alloc_time = 20000;
  char* a[alloc_time];
  char* b[alloc_time];
for(int j=0; j<5; j++)

  for(int i=0; i<alloc_time; i++)
  {
    a[i] = (char*)malloc(52722);
    memset(a[i], 1, 52722);
    b[i] = (char*)malloc(1);
    memset(b[i], 1, 1);
  }
  for(int i=0; i<alloc_time; i++)
  {
    free(a[i]);
    free(b[i]);
  }

  while(1)
  { 
    sleep(10);
  }
}

发现该程序在测试机上运行会占用1G内存,不释放,为了解决这个问题,特别去研究了一下glibc中malloc的源代码。

 

 

 

 

一.对于小于128k的块在heap中分配。

1.堆是通过brk的方式来增长或压缩的,如果在现有的堆中不能找到合适的chunk,会通过增长堆的方式来满足分配,如果堆顶的空闲块超过一定的阀值会收缩堆,所以只要堆顶的空间没释放,堆是一直不会收缩的。

2.堆中的分配信息是通过两个方式来记录。

第一.是通过chunk的头,chunk中的头一个字是记录前一个chunk的大小,第二个字是记录当前chunk的大小和一些标志位,从第三个字开始是要使用的内存。所以通过内存地址可以找到chunk,通过chunk也可以找到内存地址。还可以找到相邻的下一个chunk,和相邻的前一个chunk。一个堆完全是由n个chunk组成。

第二.是由3种队列记录,只用空闲chunk才会出现在队列中,使用的chunk不会出现在队列中。如果内存块是空闲的它会挂到其中一个队列中,它是通过内存复用的方式,使用空闲chunk的第3个字和第4个字当作它的前链和后链(变长块是第5个字和第6个字),省的再分配空间给它。

第一种队列是bins,bins有128个队列,前64个队列是定长的,每隔8个字节大小的块分配在一个队列,后面的64个队列是不定长的,就是在一个范围长度的都分配在一个队列中。所有长度小于512字节(大约)的都分配在定长的队列中。后面的64个队列是变长的队列,每个队列中的chunk都是从小到大排列的。

第二种队列是unsort队列(只有一个队列),(是一个缓冲)所有free下来的如果要进入bins队列中都要经过unsort队列。

第三种队列是fastbins,大约有10个定长队列,(是一个高速缓冲)所有free下来的并且长度是小于80的chunk就会进入这种队列中。进入此队列的chunk在free的时候并不修改使用位,目的是为了避免被相邻的块合并掉。

3.malloc的步骤

l         先在fastbins中找,如果能找到,从队列中取下后(不需要再置使用位为1了)立刻返回。

l         判断需求的块是否在小箱子(bins的前64个bin)范围,如果在小箱子的范围,并且刚好有需求的块,则直接返回内存地址;如果范围在大箱子(bins的后64个bin)里,则触发consolidate。(因为在大箱子找一般都要切割,所以要优先合并,避免过多碎片)

l         然后在unsort中取出一个chunk,如果能找到刚好和想要的chunk相同大小的chunk,立刻返回,如果不是想要chunk大小的chunk,就把他插入到bins对应的队列中去。转3,直到清空,或者一次循环了10000次。

l         然后才在bins中找,找到一个最小的能符合需求的chunk从队列中取下,如果剩下的大小还能建一个chunk,就把chunk分成两个部分,把剩下的chunk插入到unsort队列中去,把chunk的内存地址返回。

l         在topchunk(是堆顶的一个chunk,不会放到任何一个队列里的)找,如果能切出符合要求的,把剩下的一部分当作topchunk,然后返回内存地址。

l         如果fastbins不为空,触发consolidate即把所有的fanbins清空(是把fanbins的使用位置0,把相邻的块合并起来,然后挂到unsort队列中去),然后继续第3步。

l         还找不到话就调用sysalloc,其实就是增长堆了。然后返回内存地址。

4.free的步骤

l         如果和topchunk相邻,直接和topchunk合并,不会放到其他的空闲队列中去。

l         如果释放的大小小于80字节,就把它挂到fastbins中去,使用位仍然为1,当然更不会去合并相邻块。

l         如果释放块大小介于80-128k,把chunk的使用位置成0,然后试图合并相邻块,挂到unsort队列中去,如果合并后的大小大于64k,也会触发consolidate,(可能是周围比较多小块了吧),然后才试图去收缩堆。(收缩堆的条件是当前free的块大小加上前后能合并chunk的大小大于64k,并且要堆顶的大小要达到阀值,才有可能收缩堆)

l         对于大于128k的块,直接munmap

 

 

 

二.大于128k的块通过mmap的方式来分配。

 

 

 

 

根据以上的分析,我们可以得出为什么会还占用1G的内存。

测试程序有两重循环,内层循环先分配1G,然后全部释放,外层执行这个步骤5次,但为什么最后一次释放会不成功呢。

主要是因为按照这个程序分配后,内存变成由小块和大块交替出现,释放小块的时候,直接把小块放到fastbins中去,而且他的使用位还是1,释放大块的时候,它试图合并相邻的块,但是和它相邻的块的使用位还是1,所以它不能把相邻的块合并去来,而且释放的块的大小小于64k,也不会触发consolidate,即不会把fastbins清空,所以当所有的块都被释放完后,所有的小块都在fastbins里面,使用位都为1,大块都挂在unsort队列里面。全部都无法合并。所以使用的堆更加无法压缩。

 

如果在外循环后面再分配2000字节然后释放的话,所有内存将全部清空。这是因为在申请2000字节的时候,由malloc的第二步,程序会先调用consolidate,即把所有的fastbins清空,同时把相邻的块合并起来,等到所有的fastbins清空的时候,所有的块也被合并去来了,然后调用free2000字节的时候,这块被将被合并起来,成为topchunk,并且大小远大于64k,所有堆将会收缩,内存归还给系统。

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