詳細介紹Linux 內(nèi)存使用方法

一提到內(nèi)存管理，我們頭腦中閃出的兩個概念，就是虛擬內(nèi)存，與物理內(nèi)存。這兩個概念主要來自于linux內(nèi)核的支持。

Linux在內(nèi)存管理上份為兩級，一級是線性區(qū)，類似于00c73000-00c88000，對應(yīng)于虛擬內(nèi)存，它實際上不占用實際物理內(nèi)存；一級是具體的物理頁面，它對應(yīng)我們機器上的物理內(nèi)存。

這里要提到一個很重要的概念，內(nèi)存的延遲分配。Linux內(nèi)核在用戶申請內(nèi)存的時候，只是給它分配了一個線性區(qū)（也就是虛存），并沒有分配實際物理內(nèi)存；只有當(dāng)用戶使用這塊內(nèi)存的時候，內(nèi)核才會分配具體的物理頁面給用戶，這時候才占用寶貴的物理內(nèi)存。內(nèi)核釋放物理頁面是通過釋放線性區(qū)，找到其所對應(yīng)的物理頁面，將其全部釋放的過程。

[cpp]?view plain?copy

print?

char?*p=malloc(2048)?//這里只是分配了虛擬內(nèi)存2048，并不占用實際內(nèi)存。??

strcpy(p,”123”)?//分配了物理頁面，雖然只是使用了3個字節(jié)，但內(nèi)存還是為它分配了2048字節(jié)的物理內(nèi)存。??

free(p)?//通過虛擬地址，找到其所對應(yīng)的物理頁面，釋放物理頁面，釋放線性區(qū)。??

我們知道用戶的進程和內(nèi)核是運行在不同的級別，進程與內(nèi)核之間的通訊是通過系統(tǒng)調(diào)用來完成的。進程在申請和釋放內(nèi)存，主要通過brk,sbrk,mmap,unmmap這幾個系統(tǒng)調(diào)用，傳遞的參數(shù)主要是對應(yīng)的虛擬內(nèi)存。

注意一點，在進程只能訪問虛擬內(nèi)存，它實際上是看不到內(nèi)核物理內(nèi)存的使用，這對于進程是完全透明的。

glibc內(nèi)存管理器

那么我們每次調(diào)用malloc來分配一塊內(nèi)存，都進行相應(yīng)的系統(tǒng)調(diào)用呢？

答案是否定的，這里我要引入一個新的概念，glibc的內(nèi)存管理器。

我們知道m(xù)alloc和free等函數(shù)都是包含在glibc庫里面的庫函數(shù)，我們試想一下，每做一次內(nèi)存操作，都要調(diào)用系統(tǒng)調(diào)用的話，那么程序?qū)⒍嗝吹牡托А?/p>

實際上glibc采用了一種批發(fā)和零售的方式來管理內(nèi)存。glibc每次通過系統(tǒng)調(diào)用的方式申請一大塊內(nèi)存（虛擬內(nèi)存），當(dāng)進程申請內(nèi)存時，glibc就從自己獲得的內(nèi)存中取出一塊給進程。

內(nèi)存管理器面臨的困難

我們在寫程序的時候，每次申請的內(nèi)存塊大小不規(guī)律，而且存在頻繁的申請和釋放，這樣不可避免的就會產(chǎn)生內(nèi)存碎塊。而內(nèi)存碎塊，直接會導(dǎo)致大塊內(nèi)存申請無法滿足，從而更多的占用系統(tǒng)資源；如果進行碎塊整理的話，又會增加cpu的負荷，很多都是互相矛盾的指標，這里我就不細說了。

我們在寫程序時，涉及內(nèi)存時，有兩個概念heap和stack。傳統(tǒng)的說法stack的內(nèi)存地址是向下增長的，heap的內(nèi)存地址是向上增長的。

函數(shù)malloc和free，主要是針對heap進行操作，由程序員自主控制內(nèi)存的訪問。

在這里heap的內(nèi)存地址向上增長，這句話不完全正確。

glibc對于heap內(nèi)存申請大于128k的內(nèi)存申請，glibc采用mmap的方式向內(nèi)核申請內(nèi)存，這不能保證內(nèi)存地址向上增長；小于128k的則采用brk，對于它來講是正確的。128k的閥值，可以通過glibc的庫函數(shù)進行設(shè)置。

這里我先講大塊內(nèi)存的申請，也即對應(yīng)于mmap系統(tǒng)調(diào)用。

對于大塊內(nèi)存申請，glibc直接使用mmap系統(tǒng)調(diào)用為其劃分出另一塊虛擬地址，供進程單獨使用；在該塊內(nèi)存釋放時，使用unmmap系統(tǒng)調(diào)用將這塊內(nèi)存釋放，這個過程中間不會產(chǎn)生內(nèi)存碎塊等問題。

針對小塊內(nèi)存的申請，在程序啟動之后，進程會獲得一個heap底端的地址，進程每次進行內(nèi)存申請時，glibc會將堆頂向上增長來擴展內(nèi)存空間，也就是我們所說的堆地址向上增長。在對這些小塊內(nèi)存進行操作時，便會產(chǎn)生內(nèi)存碎塊的問題。實際上brk和sbrk系統(tǒng)調(diào)用，就是調(diào)整heap頂?shù)刂分羔槨?/p>

那么heap堆的內(nèi)存是什么時候釋放呢？

當(dāng)glibc發(fā)現(xiàn)堆頂有連續(xù)的128k的空間是空閑的時候，它就會通過brk或sbrk系統(tǒng)調(diào)用，來調(diào)整heap頂?shù)奈恢?，將占用的?nèi)存返回給系統(tǒng)。這時，內(nèi)核會通過刪除相應(yīng)的線性區(qū)，來釋放占用的物理內(nèi)存。

下面我要講一個內(nèi)存空洞的問題：

一個場景，堆頂有一塊正在使用的內(nèi)存，而下面有很大的連續(xù)內(nèi)存已經(jīng)被釋放掉了，那么這塊內(nèi)存是否能夠被釋放？其對應(yīng)的物理內(nèi)存是否能夠被釋放？

很遺憾，不能。

這也就是說，只要堆頂?shù)牟糠稚暾垉?nèi)存還在占用，我在下面釋放的內(nèi)存再多，都不會被返回到系統(tǒng)中，仍然占用著物理內(nèi)存。為什么會這樣呢？

這主要是與內(nèi)核在處理堆的時候，過于簡單，它只能通過調(diào)整堆頂指針的方式來調(diào)整調(diào)整程序占用的線性區(qū)；而又只能通過調(diào)整線性區(qū)的方式，來釋放內(nèi)存。所以只要堆頂不減小，占用的內(nèi)存就不會釋放。

提一個問題：

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char *p=malloc(2);

free(p)

為什么申請內(nèi)存的時候，需要兩個參數(shù)，一個是內(nèi)存大小，一個是返回的指針；而釋放內(nèi)存的時候，卻只要內(nèi)存的指針呢？

這主要是和glibc的內(nèi)存管理機制有關(guān)。glibc中，為每一塊內(nèi)存維護了一個chunk的結(jié)構(gòu)。glibc在分配內(nèi)存時，glibc先填寫chunk結(jié)構(gòu)中內(nèi)存塊的大小，然后是分配給進程的內(nèi)存。

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chunk ------size

p------------ content

在進程釋放內(nèi)存時，只要 指針-4 便可以找到該塊內(nèi)存的大小，從而釋放掉。

注：glibc在做內(nèi)存申請時，最少分配16個字節(jié)，以便能夠維護chunk結(jié)構(gòu)。

glibc提供的調(diào)試工具：

為了方便調(diào)試，glibc 為用戶提供了 malloc 等等函數(shù)的鉤子（hook），如 __malloc_hook

對應(yīng)的是一個函數(shù)指針，

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void *function (size_t size, const void *caller)

其中 caller 是調(diào)用 malloc 返回值的接受者（一個指針的地址）。另外有 __malloc_initialize_hook函數(shù)指針，僅僅會調(diào)用一次（第一次分配動態(tài)內(nèi)存時）。（malloc.h）

一些使用 malloc 的統(tǒng)計量（SVID 擴展）可以用 struct mallinfo 儲存，可調(diào)用獲得。

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struct mallinfo mallinfo (void)

如何檢測 memory leakage？glibc 提供了一個函數(shù)

void mtrace (void)及其反作用void muntrace (void)

這時會依賴于一個環(huán)境變量 MALLOC_TRACE 所指的文件，把一些信息記錄在該文件中

用于偵測 memory leakage，其本質(zhì)是安裝了前面提到的 hook。一般將這些函數(shù)用

#ifdef DEBUGGING 包裹以便在非調(diào)試態(tài)下減少開銷。產(chǎn)生的文件據(jù)說不建議自己去讀，

而使用 mtrace 程序（perl 腳本來進行分析）。下面用一個簡單的例子說明這個過程，這是

源程序：

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#include

#include

#include

intmain( int argc, 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 ) ;

return 0 ;

}

很簡單的程序，其中 q 沒有被釋放。我們設(shè)置了環(huán)境變量后并且 touch 出該文件

執(zhí)行結(jié)果如下：

p = 0x98c0378q = 0x98c0388

該文件內(nèi)容如下

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= Start

@./test30:[0x8048446] + 0x98c0378 0x4

@./test30:[0x8048455] + 0x98c0388 0x4

@./test30:[0x804848f] - 0x98c0378

到這里我基本上講完了，我們寫程序時，數(shù)據(jù)部分內(nèi)存使用的問題。

代碼占用的內(nèi)存

數(shù)據(jù)部分占用內(nèi)存，那么我們寫的程序是不是也占用內(nèi)存呢？

在linux中，程序的加載，涉及到兩個工具，linker 和loader。Linker主要涉及動態(tài)鏈接庫的使用，loader主要涉及軟件的加載。

exec執(zhí)行一個程序

elf為現(xiàn)在非常流行的可執(zhí)行文件的格式，它為程序運行劃分了兩個段，一個段是可以執(zhí)行的代碼段，它是只讀，可執(zhí)行；另一個段是數(shù)據(jù)段，它是可讀寫，不能執(zhí)行。

loader會啟動，通過mmap系統(tǒng)調(diào)用，將代碼端和數(shù)據(jù)段映射到內(nèi)存中，其實也就是為其分配了虛擬內(nèi)存，注意這時候，還不占用物理內(nèi)存；只有程序執(zhí)行到了相應(yīng)的地方，內(nèi)核才會為其分配物理內(nèi)存。

loader會去查找該程序依賴的鏈接庫，首先看該鏈接庫是否被映射進內(nèi)存中，如果沒有使用mmap，將代碼段與數(shù)據(jù)段映射到內(nèi)存中，否則只是將其加入進程的地址空間。這樣比如glibc等庫的內(nèi)存地址空間是完全一樣。

因此一個2M的程序，執(zhí)行時，并不意味著為其分配了2M的物理內(nèi)存，這與其運行了的代碼量，與其所依賴的動態(tài)鏈接庫有關(guān)。

運行過程中鏈接動態(tài)鏈接庫與編譯過程中鏈接動態(tài)庫的區(qū)別

我們調(diào)用動態(tài)鏈接庫有兩種方法：一種是編譯的時候，指明所依賴的動態(tài)鏈接庫，這樣loader可以在程序啟動的時候，來所有的動態(tài)鏈接映射到內(nèi)存中；一種是在運行過程中，通過dlopen和dlfree的方式加載動態(tài)鏈接庫，動態(tài)將動態(tài)鏈接庫加載到內(nèi)存中。

這兩種方式，從編程角度來講，第一種是最方便的，效率上影響也不大，在內(nèi)存使用上有些差別。

第一種方式，一個庫的代碼，只要運行過一次，便會占用物理內(nèi)存，之后即使再也不使用，也會占用物理內(nèi)存，直到進程的終止。

第二中方式，庫代碼占用的內(nèi)存，可以通過dlfree的方式，釋放掉，返回給物理內(nèi)存。

這個差別主要對于那些壽命很長，但又會偶爾調(diào)用各種庫的進程有關(guān)。如果是這類進程，建議采用第二種方式調(diào)用動態(tài)鏈接庫。

占用內(nèi)存的測量

測量一個進程占用了多少內(nèi)存，linux為我們提供了一個很方便的方法，/proc目錄為我們提供了所有的信息，實際上top等工具也通過這里來獲取相應(yīng)的信息。

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/proc/meminfo 機器的內(nèi)存使用信息

/proc/pid/maps pid為進程號，顯示當(dāng)前進程所占用的虛擬地址。

/proc/pid/statm 進程所占用的內(nèi)存

[root@localhost ~]# cat /proc/self/statm

654 57 44 0 0 334 0

輸出解釋

CPU 以及CPU0。。。的每行的每個參數(shù)意思（以第一行為例）為：

參數(shù) 解釋 /proc//status

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Size (pages) 任務(wù)虛擬地址空間的大小 VmSize/4

Resident(pages) 應(yīng)用程序正在使用的物理內(nèi)存的大小 VmRSS/4

Shared(pages) 共享頁數(shù) 0

Trs(pages) 程序所擁有的可執(zhí)行虛擬內(nèi)存的大小 VmExe/4

Lrs(pages) 被映像到任務(wù)的虛擬內(nèi)存空間的庫的大小 VmLib/4

Drs(pages) 程序數(shù)據(jù)段和用戶態(tài)的棧的大小 （VmData+ VmStk ）4

dt(pages) 04

查看機器可用內(nèi)存

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/proc/28248/>free

total used free shared buffers cached

Mem: 1023788 926400 97388 0 134668 503688

-/+ buffers/cache: 288044 735744

Swap: 1959920 89608 1870312

我們通過free命令查看機器空閑內(nèi)存時，會發(fā)現(xiàn)free的值很小。這主要是因為，在linux中有這么一種思想，內(nèi)存不用白不用，因此它盡可能的cache和buffer一些數(shù)據(jù)，以方便下次使用。但實際上這些內(nèi)存也是可以立刻拿來使用的。

所以 空閑內(nèi)存=free+buffers+cached=total-used

查看進程使用的內(nèi)存

查看一個進程使用的內(nèi)存，是一個很令人困惑的事情。因為我們寫的程序，必然要用到動態(tài)鏈接庫，將其加入到自己的地址空間中，但是/proc/pid/statm統(tǒng)計出來的數(shù)據(jù)，會將這些動態(tài)鏈接庫所占用的內(nèi)存也簡單的算進來。

這樣帶來的問題，動態(tài)鏈接庫占用的內(nèi)存有些是其他程序使用時占用的，卻算在了你這里。你的程序中包含了子進程，那么有些動態(tài)鏈接庫重用的內(nèi)存會被重復(fù)計算。

因此要想準確的評估一個程序所占用的內(nèi)存是十分困難的，通過寫一個module的方式，來準確計算某一段虛擬地址所占用的內(nèi)存，可能對我們有用。

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