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操作系統內存布局

各種malloc的內存分配管理方式離不開操作系統的內存布局策略。

32位經典內存布局

32位系統下經典內存布局如上，程序起始的1GB地址為內核空間，接下來是向下增長的棧空間和由0x40000000向上增長的mmap地址。而堆地址是從底部開始，去除ELF、數據段、代碼段、常量段之后的地址并向上增長。但是這種布局有幾個問題，首先是容易遭受溢出攻擊；其次是，堆地址空間只有不到1G有木有？如果mmap內存比較少地址很浪費有木有？所以后來就有了另一種內存布局。

32位默認內存布局

這幅圖描述地比較清楚也比較完整。首先是加入了幾種Random offset隨機偏移，導致內存溢出攻擊不那么容易了，其次是堆仍然向上，但是mmap向下增長。但是這樣的話棧空間就不是動態增長的了，所以現在的操作系統都有棧大小限制來著（Windows好像默認是2MB對吧？Linux可以ulimit –s查看）。這種內存布局地址利用度比較高。

64位內存布局

64位系統的尋址空間比較大，所以仍然沿用了32位的經典布局，但是加上了隨機的mmap起始地址，以防止溢出攻擊。反正一時半會是用不了這么大的內存地址了，所以至少N多年不會變了（話說要生產出40TB+的內存條，把堆內存地址用光，一時半會也搞不定吧）。

總結

縱觀各種內存布局，對于大內存各種malloc基本上都是直接mmap的。而對于小數據，則通過向操作系統申請擴大堆頂，這時候操作系統會把需要的內存分頁映射過來，然后再由這些malloc管理這些堆內存塊，減少系統調用。而在free內存的時候，不同的malloc有不同的策略，不一定會把內存真正地還給系統，所以很多時候，如果訪問了free掉的內存，并不會立即Run Time Error，只有訪問的地址沒有對應的內存分頁，才會崩掉。

Ptmalloc

Ptmalloc采用主-從分配區的模式，當一個線程需要分配資源的時候，從鏈表中找到一個沒加鎖的分配區，在進行內存分配。

小內存分配

在ptmalloc內部，內存塊采用chunk管理，并且將大小相似的chunk用鏈表管理，一個鏈表被稱為一個bin。前64個bin里，相鄰的bin內的chunk大小相差8字節，稱為small bin，后面的是large bin，large bin里的chunk按先大小，再最近使用的順序排列，每次分配都找一個最小的能夠使用的chunk。

Chunk的結構如上所示，A位表示是不是在主分配區，M表示是不是mmap出來滴，P表示上一個內存緊鄰的chunk是否在使用，如果沒在使用，則size of previous chunk是上一個chunk的大小，否則無意義（而且被用作被分配出去的內存了），正式根據P標記位和size of previous chunk在free內存塊的時候來進行chunk合并的。當然，如果chunk空閑，mem里還記錄了一些指針用于索引臨近大小的chunk的，實現原理就不復述了，知道大致作用就行。

在free的時候，ptmalloc會檢查附近的chunk，并嘗試把連續空閑的chunk合并成一個大的chunk，放到unstored bin里。但是當很小的chunk釋放的時候，ptmalloc會把它并入fast bin中。同樣，某些時候，fast bin里的連續內存塊會被合并并加入到一個unsorted bin里，然后再才進入普通bin里。所以malloc小內存的時候，是先查找fast bin，再查找unsorted bin，最后查找普通的bin，如果unsorted bin里的chunk不合適，則會把它扔到bin里。

大內存分配

Ptmalloc的分配的內存頂部還有一個top chunk，如果前面的bin里的空閑chunk都不足以滿足需要，就是嘗試從top chunk里分配內存。如果top chunk里也不夠，就要從操作系統里拿了。

還有就是特別大的內存，會直接從系統mmap出來，不受chunk管理，這樣的內存在回收的時候也會munmap還給操作系統。

簡而言之，就是：**

**小內存： [獲取分配區(arena)并加鎖] -> fast bin -> unsorted bin -> small bin -> large bin -> top chunk -> 擴展堆

大內存： 直接mmap

總結

釋放的時候，幾乎是和分配反過來，再加上可一些chunk合并和從一個bin轉移到另一個bin的操作。并且如果頂部有足夠大的空閑chunk，則收縮堆頂并還給操作系統。

介于此，對于ptmalloc的內存分配使用有幾個注意事項：

Ptmalloc默認后分配內存先釋放，因為內存回收是從top chunk開始的。

避免多線程頻繁分配和釋放內存，會造成頻繁加解鎖。

不要分配長生命周期的內存塊，容易造成內碎片，影響內存回收。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的ptmalloc,tcmalloc和jemalloc内存分配策略研究的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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