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中吴南顾惟一笑

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[转]Linux内存使用详解  

2010-03-18 12:14:38|  分类: R&D |  标签: |举报 |字号 订阅

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Linux在内存管理上份为两级,一级是线性区,对应于虚拟内存,它实际上不占用实际物理内存;一级是具体的物理页面,对应机器上的物理内存。

这里要提到一个很重要的概念,内存的延迟分配。Linux内核在用户申请内存的时候,只是给它分配了一个线性区(也就是虚存),并没有分配实际物理内存;只有当用户使用这块内存的时候,内核才会分配具体的物理页面,这时候才占用真实的物理内存。内存释放是通过虚拟地址,找到其所对应的物理页面,释放物理页面,然后释放线性区。

我们知道用户的进程和内核是运行在不同的级别,进程与内核之间的通讯是通过系统调用来完成的。进程在申请和释放内存,主要通过 brk/sbrk,mmap/unmmap这几个系统调用,传递的参数主要是对应的虚拟内存。

注意一点,在进程只能访问虚拟内存,它实际上是看不到内核物理内存的使用,这对于进程是完全透明的。

glibc内存管理器

那么我们每次调用malloc来分配一块内存,都进行相应的系统调用呢?
答案是否定的,这里我要引入一个新的概念,glibc的内存管理器。

我们知道malloc和free等函数都是包含在glibc库里面的库函数,试想一下,每做一次内存操作,都要调用系统调用的话,那么会多么的低效。

实际上glibc的内存管理器采用了二次分配的方式来管理内存。glibc每次通过系统调用的方式申请一大块内存(虚拟内存),当进程申请内存时,glibc就从自己获得的内存中取出一块给进程。

内存管理器面临的困难

我们在写程序的时候,每次申请的内存块大小不规律,而且存在频繁的申请和释放,这样不可避免会产生内存碎片。而内存碎片会导致大块内存申请无法满足,从而更多的占用系统资源;如果进行碎片整理的话,又会增加cpu的负荷。

malloc和free主要是针对heap进行操作,由程序员自主控制内存的访问。

glibc对于大于128k的heap内存申请,采用mmap的方式向内核申请内存;小于128k的则采用brk。128k的阈值,可以通过glibc的库函数进行设置。

对于大块内存申请,glibc直接使用mmap系统调用为其划分出另一块虚拟地址,供进程单独使用;在该块内存释放时,使用unmmap系统调用将这块内存释放,这个过程中间不会产生内存碎片等问题。

针对小块内存的申请,在程序启动之后,进程会获得一个heap底端的地址,进程每次进行内存申请时,glibc会将堆顶向上增长来扩展内存空间,也就是我们所说的堆地址向上增长。在对这些小块内存进行操作时,便会产生内存碎块的问题。实际上brk和sbrk系统调用,就是调整heap顶地址指针。

那么heap堆的内存是什么时候释放呢?

当glibc发现堆顶有连续的128k的空间是空闲的时候,它就会通过brk或sbrk系统调用,来调整heap顶的位置,将占用的内存返回给系统。这时,内核会通过删除相应的线性区,来释放占用的物理内存。

考虑一个内存空洞的场景,堆顶有一块正在使用的内存,而下面有很大的连续内存已经被释放掉了,那么这块内存是否能够被释放?其对应的物理内存是否能够被释放?

很遗憾,不能。

这也就是说,只要堆顶的部分申请内存还在占用,我在下面释放的内存再多,都不会被返回到系统中,仍然占用着物理内存。为什么会这样呢?

这主要是与内核在处理堆的时候过于简单,它只能通过调整堆顶指针的方式来调整调整程序占用的线性区;而又只能通过调整线性区的方式,来释放内存。所以只要堆顶不减小,占用的内存就不会释放。


为什么而释放内存的时候只要内存的指针呢?

这主要是和glibc的内存管理机制有关。glibc中,为每一块内存维护了一个chunk的结构。glibc在分配内存时,glibc先填写chunk结构中内存块的大小,然后是分配给进程的内存。

在进程释放内存时,只要指针-4 便可以找到该块内存的大小,从而释放掉。
注:glibc在做内存申请时,最少分配16个字节,以便能够维护chunk结构,这也是为什么分配大小为0的内存能够成功的原因。

glibc提供的调试工具:

为了方便调试,glibc 为用户提供了malloc函数的钩子__malloc_hook,其实是一个特定类型的函数指针。
例子如下

#include <stdio.h>
#include <malloc.h>

/* Prototypes for our hooks.  */
static void my_init_hook(void);
static void *my_malloc_hook(size_t, const void *);
/* Variables to save original hooks. */
static void *(*old_malloc_hook)(size_t, const void *);

/* Override initialising hook from the C library. */
void (*__malloc_initialize_hook) (void) = my_init_hook;
static void my_init_hook(void) {
    old_malloc_hook = __malloc_hook;
    __malloc_hook = my_malloc_hook;
}
static void * my_malloc_hook (size_t size, const void *caller) {
    void *result;
    /* Restore all old hooks */
    __malloc_hook = old_malloc_hook;
    /* Call recursively */
    result = malloc (size);
    /* Save underlying hooks */
    old_malloc_hook = __malloc_hook;
    /* 'printf' might call 'malloc', so protect it too. */
    printf ("malloc(%u) called from %p returns %p0,
        (unsigned int) size, caller, result);
    /* Restore our own hooks */
    __malloc_hook = my_malloc_hook;
    return result;
}


其中 caller 是调用 malloc 返回值的接受者(一个指针的地址)。
__malloc_initialize_hook仅仅会调用一次(第一次分配动态内存时)。



如何检测 memory leakage?
glibc 提供了函数void mtrace (void)以及void muntrace (void)
这时会依赖于一个环境变量 MALLOC_TRACE 所指的文件,把一些信息记录在该文件中用于侦测memory leakage,其本质是安装了前面提到的 hook。一般将这些函数用DEBUG宏包裹以便在非调试态下减少开销。产生的文件据说不建议自己去读,而使用 mtrace 程序(perl 脚本来进行分析)。
下面用一个简单的例子说明这个过程,这是源程序:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <mcheck.h>
int main( int argc, char *argv[] )
{
  int *p, *q ;
#ifdef DEBUG
  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;
}

很简单的程序,其中 q 没有被释放。我们设置了环境变量后export MALLOC_TRACE=~/trace.txt
结果如下:

p = 0x8ee2378
q = 0x8ee2388

trace.txt内容如下
= Start
@ ./test:[0x8048678] + 0x8ee2378 0x4
@ ./test:[0x8048687] + 0x8ee2388 0x4
@ ./test:[0x80486c1] - 0x8ee2378




代码占用的内存

数据部分占用内存,那么我们写的程序是不是也占用内存呢?

在linux中,程序的加载,涉及到两个工具,linker 和loader。linker主要涉及动态链接库的使用,loader主要涉及程序的加载。

1. exec执行一个程序

2. elf为现在非常流行的可执行文件的格式,它为程序运行划分了两个段,一个段是可以执行的代码段,它是只读,可执行;另一个段是数据段,它是可读写,不能执行。

3. loader会启动,通过mmap系统调用,将代码段和数据段映射到内存中,其实也就是为其分配了虚拟内存,注意这时候,还不占用物理内存;只有程序执行到了相应的地方,内核才会为其分配物理内存。

4. loader会去查找该程序依赖的链接库,首先看该链接库是否被映射进内存中,如果没有则使用mmap,将代码段与数据段映射到内存中,否则只是将其加入进程的地址空间。这样比如glibc等库的内存地址空间是完全一样。


运行过程中链接动态链接库与编译过程中链接动态库的区别。

我们调用动态链接库有两种方法:一种是编译的时候,指明所依赖的动态链接库,这样loader可以在程序启动的时候,来所有的动态链接映射到内存中;一种是在运行过程中,通过dlopen/dlfree的方式加载动态链接库,动态将动态链接库加载到内存中。

这两种方式,从编程角度来讲,第一种是最方便的,效率上影响也不大,在内存使用上有些差别。

第一种方式,一个库的代码,只要运行过一次,便会占用物理内存,之后即使再也不使用,也会占用物理内存,直到进程的终止。
第二中方式,库代码占用的内存,可以通过dlfree的方式,释放掉,返回给物理内存。

这个差别主要对于那些寿命很长,但又会偶尔调用各种库的进程有关。如果是这类进程,建议采用第二种方式调用动态链接库。

占用内存的测量

测量一个进程占用了多少内存,linux为我们提供了一个很方便的方法,/proc目录为我们提供了所有的信息,实际上top等工具也通过这里来获取相应的信息。

/proc/meminfo   机器的内存使用信息
/proc/pid/maps  进程(PID)所占用的虚拟地址。
/proc/pid/statm 进程所占用的内存
[root@localhost ~]# cat /proc/self/statm
654 57 44 0 0 334 0


查看机器可用内存

[root@localhost ~]# free
             total       used       free     shared    buffers     cached
Mem:       1026860     753136     273724          0     191284     417336
-/+ buffers/cache:     144516     882344
Swap:      2031608     132408    1899200

我们通过free命令查看机器空闲内存时,会发现free的值很小。这主要是因为在linux中尽可能的 cache和buffer一些数据,以方便下次使用。但实际上这些内存也是可以立刻拿来使用的。

所以空闲内存 = free+buffers+cached = total-used

查看进程使用的内存

查看一个进程使用的内存,是一个很令人困惑的事情。因为我们写的程序,必然要用到动态链接库,将其加入到自己的地址空间中,但是/proc/pid /statm统计出来的数据,会将这些动态链接库所占用的内存也算进来。

这样带来的问题,动态链接库占用的内存有些是其他程序使用时占用的,却算在了你这里。如果你的程序中包含了子进程,那么有些动态链接库重用的内存会被重复计算。

因此要想准确的评估一个程序所占用的内存是十分困难的,通过写一个module的方式,来准确计算某一段虚拟地址所占用的内存,可能对我们有用。


[NOTE]

     在Linux下,glibc 的malloc提供了下面两种动态内存管理的方法:堆内存分配和mmap的内存分配,此两种分配方法都是通过相应的Linux 系统调用来进行动态内存管理的。具体使用哪一种方式分配,根据glibc的实现,主要取决于所需分配内存的大小。一般情况中,应用层面的内存从进程堆中分配,当进程堆大小不够时,可以通过系统调用brk来改变堆的大小,但是在以下情况,一般由mmap系统调用来实现应用层面的内存分配:A、应用需要分配大于特定数值的内存,B、在没有连续的内存空间能满足应用所需大小的内存时。

  (1)、调用brk实现进程里堆内存分配

    在glibc中,当进程所需要的内存较小时,该内存会从进程的堆中分配,但是堆分配出来的内存空间,系统一般不会回收,只有当进程的堆大小到达最大限额时或者没有足够连续大小的空间来为进程继续分配所需内存时,才会回收不用的堆内存。在这种方式下,glibc会为进程堆维护一些固定大小的内存池以减少内存碎片。

  (2)、使用mmap的内存分配

    在glibc中,一般在比较大的内存分配时使用mmap系统调用,它以页为单位来分配内存的,这不可避免会带来内存浪费,但是当进程调用free释放所分配的内存时,glibc会立即调用unmmap,把所分配的内存空间释放回系统。

注意:这里我们讨论的都是虚拟内存的分配(即应用层面上的内存分配),主要由glibc来实现,它与内核中实际物理内存的分配是不同的层面,进程所分配到的虚拟内存可能没有对应的物理内存。如果所分配的虚拟内存没有对应的物理内存时,操作系统会利用缺页机制来为进程分配实际的物理内存。

http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-memory/
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