linux内存管理问题

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mb6478612aac887 2023-06-01 17:23:21 ©著作权

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一、Linux的虚拟内存管理有几个关键概念

1.每个进程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
2.虚拟地址可通过每个进程的页表与物理地址进行映射，获得真正物理地址
3.如果虚拟地址对应的物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，并真正分配物理地址，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。

二、Linux进程虚拟地址分布

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brk和sbrk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。

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）。

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 /proc/cpuinfo 来查看

address sizes : 40 bits physical, 48 bits virtual

三、malloc是如何分配内存的？

malloc是glibc中内存分配函数，也是最常用的动态内存分配函数，其内存必须通过free进行释放，否则导致内存泄露。关于 malloc 获得虚存空间的实现，与glibc的版本有关，但大体逻辑是：

1.申请128k以内的内存，调用sbrk()，在堆内分配，将堆顶指针向高地址移动，获得新的虚存空间。虚拟地址比较小。

2.每次分配的内存地址前16字节（64位系统，32位是8字节）是记录该内存块的控制信息（用于 free ）。

3.并不是每次malloc都会导致堆顶的增大，如果堆内有足够剩余空间，堆顶不会发生变化。

4.当分配大小大于128k，使用mmap在文件映射区域中分配匿名虚存空间获得地址空间，地址一般比较大（靠近栈区间）

5可通过函数mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, 64*1024) 修改使用 mmap 的临界值为 64k ，后续大于 64k 的分配就会使用 mmap.

四、malloc分配多大的内存，就占用多大的物理内存空间吗？

malloc分配的的内存是虚拟地址空间

1.VSZ并不是每次malloc后都增长，因为可重用堆顶内剩余的空间，这样的malloc是很轻量快速的。

2.如果VSZ发生变化，基本与分配内存量相当，因为VSZ是计算虚拟地址空间总大小。

3.RSS的增量很少，是因为malloc分配的内存并不就马上分配实际存储空间，只有第一次使用，发现虚存对应的物理页面未分配，产生缺页中断，才真正分配物理页面，同时更新进程页面的映射关系（按需分配）。

4.由于每个物理内存页面大小是4k，不管memset其中的1k还是5k、7k，实际占用物理内存总是4k的倍数。所以RSS的增量总是4k的倍数。

五、如何查看进程虚拟地址空间的使用情况？

pmap

六、free的内存真的释放了?

使用mmap分配的内存会调用munmap系统调用来释放，并会真正释放该空间。

free释放内存，在glibc中，仅仅是标记为可用，形成一个内存空洞(碎片)，并没有真正释放

glibc的free实现中，只要堆顶附近释放总空间（包括合并的空间）超过128k，即会调用sbrk(-SIZE)来回溯堆顶指针，将原堆顶空间还给OS。否则都成为碎片（碎片如果相邻会适当合并）

七、程序代码中malloc的内存都有相应的free，就不会出现内存泄露了吗？

随着系统频繁地malloc和free，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用valgrind是无法检测出来的。

八、既然堆内内存不能直接释放，为什么不全部使用mmap来分配？

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)。缺页中断是内核行为，会导致内核态CPU消耗较大。

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。

九、如何查看进程的缺页中断信息？

ps -omajflt,minflt -C

ps -omajflt,minflt -p

其中majflt表major fault，指大错误。mnflt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

如果进程的内核态CPU使用过多，其中一个原因就可能是单位时间的缺页中断次数多个，可通过以上命令来查看。

如果MAJFLT过大，很可能是内存不足。

如果MINFLT过大，很可能是频繁分配/释放大块内存(128k)，malloc使用mmap来分配。对于这种情况，可通过mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, )增大临界值，或程序实现内存池。