Question

内存分配（malloc）的过程

Answer 1

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malloc和mmap等内存分配函数只是建立进程的虚拟地址空间，并没有分配实际的物理内存。当进程访问没有建立映射关系的虚拟内存时会自动的触发一个缺页中断。

请求分页的系统当中，可以查询页表当前的状态位来查询当前页是否在内存当中，如果不在内存当中可以通过页表当中的外存地址将缺的一页读到内存当中。比如mmap映射文件。

用 ps -o majflt,minflt -C program 命令查看。

majflt代表major fault（需要读取磁盘），中文名叫大错误，minflt代表minor fault（不需要读取磁盘），中文名叫小错误。

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。

当一个进程发生缺页中断的时候，进程会陷入 内核态 ，执行以下操作：

如果第3步，需要读取磁盘，那么这次缺页中断就是majflt，否则就是minflt。

从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问（读/写）已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的。

malloc小于128k的内存，使用brk分配内存，将_edata往高地址推

malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存，而且初始化为0)

上一小节已经介绍了mmap的内存释放，这里主要看brk的内存释放

既然堆内内存brk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配，munmap直接释放呢?
其实，进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap 都是系统调用，频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且， mmap 申请的内存被 munmap 后，重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配 1M 空间，第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ，当munmap 后再次分配 1M 空间，会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为，会导致内核态CPU消耗较大。另外，如果使用 mmap 分配小内存，会导致地址空间的分片更多，内核的管理负担更大。
同时堆是一个连续空间，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。 因此， glibc 的 malloc 实现中，充分考虑了 brk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>) 来修改这个临界值。