1. 内存管理目标
2. 三种内存管理的比较
1. 内存管理目标
内存管理的目的是实现了malloc()，free()以及一组其它的函数，以提供动态内存管理的支持。分 配器处在用户程序和内核之间，它响应用户的分配请求，向操作系统申请内存，然后将其返回给用户程序。
为了保持高效的分配，分配器一般都会预先分配一块大于用户请求的内存， 并通过某种算法管理这块内存。来满足用户的内存分配要求，用户释放掉的内存也并不是立即就返回给操作系统，相反，分配器会管理这些被释放掉的空闲空间，以应对用户以后的内 存分配要求。也就是说，分配器不但要管理已分配的内存块，还需要管理空闲的内存块，当 响应用户分配要求时，分配器会首先在空闲空间中寻找一块合适的内存给用户，在空闲空间 中找不到的情况下才分配一块新的内存。
由此可见，内存管理的核心目标主要有两点：
- 高效的内存分配和回收，提升单线程或者多线程场景下的性能；
- 减少内存碎片，包括内部碎片和外部碎片，提高内存的有效利用率；
2. 三种内存管理的比较
ptmalloc 是基于 glibc 实现的内存分配器，它是一个标准实现，所以兼容性较好。pt 表示 per thread 的意思。当然 ptmalloc 确实在多线程的性能优化上下了很多功夫。由于过于考虑性能问题，多线程之间内存无法实现共享，只能每个线程都独立使用各自的内存，所以在内存开销上是有很大浪费的。
tcmalloc 出身于 Google，全称是 thread-caching malloc，所以 tcmalloc 最大的特点是带有线程缓存，tcmalloc 非常出名，目前在 Chrome、Safari 等知名产品中都有所应有。tcmalloc 为每个线程分配了一个局部缓存，对于小对象的分配，可以直接由线程局部缓存来完成，对于大对象的分配场景，tcmalloc 尝试采用自旋锁来减少多线程的锁竞争问题。
jemalloc 借鉴了 tcmalloc 优秀的设计思路，所以在架构设计方面两者有很多相似之处，同样都包含 thread cache 的特性。但是 jemalloc 在设计上比 ptmalloc 和 tcmalloc 都要复杂，jemalloc 将内存分配粒度划分为 Small、Large二个分类，并记录了很多 meta 数据，所以在空间占用上要略多于 tcmalloc，不过在大内存分配的场景，jemalloc 的内存碎片要少于 tcmalloc。
PTmalloc | TCmalloc | Jemalloc | |
内存组织 | （1）内存分配单位为chunk； （2）小于64B的chunk放在fast bin中； （3）64 - 512B放在small bin中； （4）512B - 128 KB放large bin中； （5）大于128KB不进行缓存； （6）合并后的chunk放在unsorted bin中； | （1）内存有三层缓存：PageHeap、CentralCache和ThreadCache； （2）0 - 256KB小对象放在中央缓存和线程缓存中，分为84个不同大小类别，中央缓存多个线程共享，线程级缓存每个线程私有； （3）256KB - 1MB的中对象和1MB以上大对象放在PageHeap，每个page大小为8KB； | （1）小类区间为[8B, 14kb]，共232个小类，每个类的大小并不都是2的次幂； （2）大类区间为[16kB, 7EiB]，page大小为4KB，从4 * page开始； （3）内存分配单位为extent，每个extent大小为N * 4KB，一个 |
分配流程 | fast bin —> small bins —> unsorted bin —> large bin —> top chunk —> 增加top chunk(sbrk/mmap) 或者 mmaped chunk； | （1）小对象：ThreadCache —> CentralCache —> PageHeap —> 内核； （2）中对象和大对象：PageHeap —> 内核； | （1）小内存：cache_bin -> slab -> slabs_nonfull -> extents_dirty -> extents_muzzy -> extents_retained -> 内核 （2）大内存：extents_dirty -> extents_muzzy -> extents_retained -> 内核 |
多线程支持 | 没有线程级缓存，每个线程进行内存分配和释放时，需要对分配区进行加锁 | 每个线程拥有线程级缓存，当进行小对象分配和释放时，不用加锁处理 | 每个线程拥有线程级缓存tcache，进行小内存分配和释放时，不用加锁 |
优点 | 它是一个标准实现，所以兼容性较好 | （1）在多线程场景下，小对象内存申请和释放是无锁的，效率很高，中对象和大对象申请使用自旋锁； （2）ThreadCache会阶段性的回收内存到CentralCache里，解决了ptmalloc2中分配区之间不能迁移的问题； （3）占用更少的额外空间。例如，分配N个8字节对象可能要使用大约8N * 1.01字节的空间，即，多用百分之一的空间； | （1）采用多个arena来避免线程同步，多线程的分配是无锁的； （2）细粒度的锁，比如每一个bin以及每一个extents都有自己的锁，并发度更高； （3）使用了低地址优先的策略，来降低内存碎片化； |
缺点 | （1）管理长周期内存时，会导致内存爆增，因为与top chunk 相邻的 chunk 不能释放，top chunk 以下的 chunk 都无法释放； （2）内存不能从一个分配区移动到另一个分配区， 就是说如果多线程使用内存不均衡，容易导致内存的浪费； （3）如果线程数量过多时，内存分配和释放时加锁的代价上升，导致效率低下； （4）每个chunk需要8B的额外空间，空间浪费大 | （1）对齐操作比PTmalloc多浪费一些内存，有点空间换时间； （2）如果多个线程频繁分配大对象，对自旋锁的竞争会很激烈； | （1）arena之间的内存不可见，导致两个arena的内存出现大量交叉从而无法合并； （2）大概需要2%的额外开销，tcmalloc是1%； |
适用场景 | 不适合多线程场景和需要申请长周期内存，只适合线程数较少和申请短周期内存的场景 | 适合多线程的场景 | 适合多线程的场景，多线程并发度更好 |
性能对比图如下：
