操作系统

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进程、线程

进程的上下文切换

切换的内容

  • 页表全局目录(PGD)- 虚拟内存、栈、全局变量等用户空间资源等
  • 内核态堆栈
  • 硬件上下文- 进程恢复前，必须装进寄存器的数据

通常，会把交换的信息保存在进程的 PCB，当要运行另外一个进程的时候，我们需要从这个进程的 PCB 取出上下文，然后恢复到 CPU 中，这使得这个进程可以继续执行

哪些场景会切换上下文

  • 为了保证所有进程可以得到公平调度，CPU 时间被划分为一段段的时间片，这些时间片再被轮流分配给各个进程。这样，当某个进程的时间片耗尽了，进程就从运行状态变为就绪状态，系统从就绪队列选择另外一个进程运行；
  • 进程在系统资源不足（比如内存不足）时，要等到资源满足后才可以运行，这个时候进程也会被挂起，并由系统调度其他进程运行；
  • 当进程通过睡眠函数 sleep 这样的方法将自己主动挂起时，自然也会重新调度；
  • 当有优先级更高的进程运行时，为了保证高优先级进程的运行，当前进程会被挂起，由高优先级进程来运行；
  • 发生硬件中断时，CPU 上的进程会被中断挂起，转而执行内核中的中断服务程序；

进程切换分两步：

1、切换页表以使用新的地址空间，一旦去切换上下文，处理器中所有已经缓存的内存地址一瞬间都作废了。

2、切换内核栈和硬件上下文。

对于 linux 来说，线程和进程的最大区别就在于地址空间，对于线程切换，第1 步是不需要做的，第 2 步是进程和线程切换都要做的。因为每个进程都有自己的虚拟地址空间，而线程是共享所在进程的虚拟地址空间的，因此同一个进程中的线程进行线程切换时不涉及虚拟地址空间的转换。

线程的上下文切换

什么是线程

同一个进程内多个线程之间可以共享代码段、数据段、打开的文件等资源，但每个线程各自都有一套独立的寄存器和栈，这样可以确保线程的控制流是相对独立的。

线程上下文切换介绍

在前面我们知道了，线程与进程最大的区别在于：线程是调度的基本单位，而进程则是资源拥有的基本单位。

所以，所谓操作系统的任务调度，实际上的调度对象是线程，而进程只是给线程提供了虚拟内存、全局变量等资源。

对于线程和进程，我们可以这么理解：

  • 当进程只有一个线程时，可以认为进程就等于线程；
  • 当进程拥有多个线程时，这些线程会共享相同的虚拟内存和全局变量等资源，这些资源在上下文切换时是不需要修改的；

另外，线程也有自己的私有数据，比如栈和寄存器等，这些在上下文切换时也是需要保存的。

线程上下文切换的是什么？

这还得看线程是不是属于同一个进程：

  • 当两个线程不是属于同一个进程，则切换的过程就跟进程上下文切换一样；
  • 当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据；

所以，线程的上下文切换相比进程，开销要小很多。

操作系统进程(线程)调度原则

  • 原则一：如果运行的程序，发生了 I/O 事件的请求，那 CPU 使用率必然会很低，因为此时进程在阻塞等待硬盘的数据返回。这样的过程，势必会造成 CPU 突然的空闲。所以，为了提高 CPU 利用率，在这种发送 I/O 事件致使 CPU 空闲的情况下，调度程序需要从就绪队列中选择一个进程来运行。
  • 原则二：有的程序执行某个任务花费的时间会比较长，如果这个程序一直占用着 CPU，会造成系统吞吐量（CPU 在单位时间内完成的进程数量）的降低。所以，要提高系统的吞吐率，调度程序要权衡长任务和短任务进程的运行完成数量。
  • 原则三：从进程开始到结束的过程中，实际上是包含两个时间，分别是进程运行时间和进程等待时间，这两个时间总和就称为周转时间。进程的周转时间越小越好，如果进程的等待时间很长而运行时间很短，那周转时间就很长，这不是我们所期望的，调度程序应该避免这种情况发生。
  • 原则四：处于就绪队列的进程，也不能等太久，当然希望这个等待的时间越短越好，这样可以使得进程更快的在 CPU 中执行。所以，就绪队列中进程的等待时间也是调度程序所需要考虑的原则。

进程间通信方式有哪些

  • 管道：管道这种通讯方式有两种限制，一是半双工的通信，数据只能单向流动，二是只能在具有亲缘关系的进程间使用。进程的亲缘关系通常是指父子进程关系。 管道可以分为两类：

    1. 匿名管道和命名管道。匿名管道是单向的，只能在有亲缘关系的进程间通信；
    2. 命名管道以磁盘文件的方式存在，可以实现本机任意两个进程通信。

  • 信号：信号是一种比较复杂的通信方式，信号可以在任何时候发给某一进程，而无需知道该进程的状态。

    Linux 系统中常用信号：

    （1）SIGHUP：用户从终端注销，所有已启动进程都将收到该进程。系统缺省状态下对该信号的处理是终止进程。

    （2）SIGINT：程序终止信号。程序运行过程中，按 Ctrl+C 键将产生该信号。

    （3）SIGQUIT：程序退出信号。程序运行过程中，按 Ctrl+\键将产生该信号。

    （4）SIGBUS 和 SIGSEGV：进程访问非法地址。

    （5）SIGFPE：运算中出现致命错误，如除零操作、数据溢出等。

    （6）SIGKILL：用户终止进程执行信号。shell 下执行 kill -9 发送该信号。

    （7）SIGTERM：结束进程信号。shell 下执行 kill 进程 pid 发送该信号。

    （8）SIGALRM：定时器信号。

    （9）SIGCLD：子进程退出信号。如果其父进程没有忽略该信号也没有处理该信号，则子进程退出后将形成僵尸进程。

  • 信号量：信号量是一个计数器，可以用来控制多个进程对共享资源的访问。它常作为一种锁机制，防止某进程正在访问共享资源时，其他进程也访问该资源。因此，主要作为进程间以及同一进程内不同线程之间的同步手段。

  • 消息队列：消息队列是消息的链接表，包括 Posix 消息队列和 System V 消息队列。有足够权限的进程可以向队列中添加消息，被赋予读权限的进程100则可以读走队列中的消息。消息队列克服了信号承载信息量少，管道只能承载无格式字节流以及缓冲区大小受限等缺点。

  • 共享内存：共享内存就是映射一段能被其他进程所访问的内存，这段共享内存由一个进程创建，但多个进程都可以访问。共享内存是最快的 IPC 方式，它是针对其他进程间通信方式运行效率低而专门设计的。它往往与其他通信机制，如信号量，配合使用，来实现进程间的同步和通信。

  • Socket：与其他通信机制不同的是，它可用于不同机器间的进程通信。

​ 优缺点：

  • 管道：速度慢，容量有限；
  • 信号：只能传递信号， 不能传递消息；
  • Socket：任何进程间都能通讯，但速度慢；
  • 消息队列：容量受到系统限制，且要注意第一次读的时候，要考虑上一次没有读完数据的问题；
  • 信号量：不能传递复杂消息，只能用来同步；
  • 共享内存区：能够很容易控制容量，速度快，但要保持同步，比如一个进程在写的时候，另一个进程要注意读写的问题，相当于线程中的线程安全，当然，共享内存区同样可以用作线程间通讯，不过没这个必要，线程间本来就已经共享了同一进程内的一块内存

内存管理

什么是虚拟内存

操作系统会提供一种机制，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。

如果程序要访问虚拟地址的时候，由操作系统转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。

于是，这里就引出了两种地址的概念：

  • 我们程序所使用的内存地址叫做虚拟内存地址（Virtual Memory Address）
  • 实际存在硬件里面的空间地址叫物理内存地址（Physical Memory Address）。

操作系统引入了虚拟内存，进程持有的虚拟地址会通过 CPU 芯片中的内存管理单元（MMU）的映射关系，来转换变成物理地址，然后再通过物理地址访问内存。

操作系统是如何管理虚拟地址与物理地址之间的关系？

主要有两种方式，分别是内存分段和内存分页，分段是比较早提出的，我们先来看看内存分段。

什么是内存分段

程序是由若干个逻辑分段组成的，如可由代码分段、数据分段、栈段、堆段组成。不同的段是有不同的属性的，所以就用分段（Segmentation）的形式把这些段分离出来。

分段机制下的虚拟地址由两部分组成，段选择因子和段内偏移量。

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段选择因子和段内偏移量：

  • 段选择子就保存在段寄存器里面。段选择子里面最重要的是段号，用作段表的索引。段表里面保存的是这个段的基地址、段的界限和特权等级等。
  • 虚拟地址中的段内偏移量应该位于 0 和段界限之间，如果段内偏移量是合法的，就将段基地址加上段内偏移量得到物理内存地址。

分段的办法很好，解决了程序本身不需要关心具体的物理内存地址的问题，但它也有一些不足之处：

  • 第一个就是内存碎片的问题。
  • 第二个就是内存交换的效率低的问题。

我们先来看看，分段为什么会产生内存碎片的问题？

我们来看看这样一个例子。假设有 1G 的物理内存，用户执行了多个程序，其中：

  • 游戏占用了 512MB 内存
  • 浏览器占用了 128MB 内存
  • 音乐占用了 256 MB 内存。

这个时候，如果我们关闭了浏览器，则空闲内存还有 1024 - 512 - 256 = 256MB。

如果这个 256MB 不是连续的，被分成了两段 128 MB 内存，这就会导致没有空间再打开一个 200MB 的程序。

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内存碎片主要分为，内部内存碎片和外部内存碎片。

内存分段管理可以做到段根据实际需求分配内存，所以有多少需求就分配多大的段，所以不会出现内部内存碎片。

但是由于每个段的长度不固定，所以多个段未必能恰好使用所有的内存空间，会产生了多个不连续的小物理内存，导致新的程序无法被装载，所以会出现外部内存碎片的问题。

解决「外部内存碎片」的问题就是内存交换。

可以把音乐程序占用的那 256MB 内存写到硬盘上，然后再从硬盘上读回来到内存里。不过再读回的时候，我们不能装载回原来的位置，而是紧紧跟着那已经被占用了的 512MB 内存后面。这样就能空缺出连续的 256MB 空间，于是新的 200MB 程序就可以装载进来。

这个内存交换空间，在 Linux 系统里，也就是我们常看到的 Swap 空间，这块空间是从硬盘划分出来的，用于内存与硬盘的空间交换。

再来看看，分段为什么会导致内存交换效率低的问题？

对于多进程的系统来说，用分段的方式，外部内存碎片是很容易产生的，产生了外部内存碎片，那不得不重新 Swap 内存区域，这个过程会产生性能瓶颈。

因为硬盘的访问速度要比内存慢太多了，每一次内存交换，我们都需要把一大段连续的内存数据写到硬盘上。

所以，如果内存交换的时候，交换的是一个占内存空间很大的程序，这样整个机器都会显得卡顿。

为了解决内存分段的「外部内存碎片和内存交换效率低」的问题，就出现了内存分页。

什么是交换空间

操作系统把物理内存(physical RAM)分成一块一块的小内存，每一块内存被称为页(page)。当内存资源不足时，Linux 把某些页的内容转移至硬盘上的一块空间上，以释放内存空间。硬盘上的那块空间叫做交换空间(swap space),而这一过程被称为交换(swapping)。物理内存和交换空间的总容量就是虚拟内存的可用容量。

用途：

  • 物理内存不足时一些不常用的页可以被交换出去，腾给系统。
  • 程序启动时很多内存页被用来初始化，之后便不再需要，可以交换出去。
  • 通过swap减少内存的碎片，提高内存的利用率。

什么是内存分页

分段的好处就是能产生连续的内存空间，但是会出现「外部内存碎片和内存交换的空间太大」的问题。

要解决这些问题，那么就要想出能少出现一些内存碎片的办法。另外，当需要进行内存交换的时候，让需要交换写入或者从磁盘装载的数据更少一点，这样就可以解决问题了。这个办法，也就是内存分页（Paging）。

把内存空间划分为大小相等且固定的块，作为主存的基本单位。因为程序数据存储在不同的页面中，而页面又离散的分布在内存中，因此需要一个页表来记

录映射关系，以实现从页号到物理块号的映射。访问分页系统中内存数据需要两次的内存访问 (一次是从内存中访问页表，从中找到指定的物理块号，加上页内偏移得到实际物理地址；第二次就是根据第一次得到的物理地址访问内存取出数据)

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分页是怎么解决分段的「外部内存碎片和内存交换效率低」的问题？

内存分页由于内存空间都是预先划分好的，也就不会像内存分段一样，在段与段之间会产生间隙非常小的内存，这正是分段会产生外部内存碎片的原因。而采用了分页，页与页之间是紧密排列的，所以不会有外部碎片。

但是，因为内存分页机制分配内存的最小单位是一页，即使程序不足一页大小，我们最少只能分配一个页，所以页内会出现内存浪费，所以针对内存分页机制会有内部内存碎片的现象。

如果内存空间不够，操作系统会把其他正在运行的进程中的「最近没被使用」的内存页面给释放掉，也就是暂时写在硬盘上，称为换出（Swap Out）。一旦需要的时候，再加载进来，称为换入（Swap In）。所以，一次性写入磁盘的也只有少数的一个页或者几个页，不会花太多时间，内存交换的效率就相对比较高。

分页机制下，虚拟地址和物理地址是如何映射的？

在分页机制下，虚拟地址分为两部分，页号和页内偏移。页号作为页表的索引，页表包含物理页每页所在物理内存的基地址，这个基地址与页内偏移的组合就形成了物理内存地址，见下图。1681652169677

总结一下，对于一个内存地址转换，其实就是这样三个步骤：

  • 把虚拟内存地址，切分成页号和偏移量；
  • 根据页号，从页表里面，查询对应的物理页号；
  • 直接拿物理页号，加上前面的偏移量，就得到了物理内存地址。

这看起来似乎没什么毛病，但是放到实际中操作系统，这种简单的分页是肯定是会有问题的。

简单的分页有什么缺陷吗？

有空间上的缺陷。

因为操作系统是可以同时运行非常多的进程的，那这不就意味着页表会非常的庞大。

在 32 位的环境下，虚拟地址空间共有 4GB，假设一个页的大小是 4KB（2^12），那么就需要大约 100 万 （2^20） 个页，每个「页表项」需要 4 个字节大小来存储，那么整个 4GB 空间的映射就需要有 4MB 的内存来存储页表。

这 4MB 大小的页表，看起来也不是很大。但是要知道每个进程都是有自己的虚拟地址空间的，也就说都有自己的页表。

那么，100 个进程的话，就需要 400MB 的内存来存储页表，这是非常大的内存了，更别说 64 位的环境了。

多级页表

要解决上面的问题，就需要采用一种叫作多级页表（Multi-Level Page Table）的解决方案。

在前面我们知道了，对于单页表的实现方式，在 32 位和页大小 4KB 的环境下，一个进程的页表需要装下 100 多万个「页表项」，并且每个页表项是占用 4 字节大小的，于是相当于每个页表需占用 4MB 大小的空间。

我们把这个 100 多万个「页表项」的单级页表再分页，将页表（一级页表）分为 1024 个页表（二级页表），每个表（二级页表）中包含 1024 个「页表项」，形成二级分页。如下图所示：

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你可能会问，分了二级表，映射 4GB 地址空间就需要 4KB（一级页表）+ 4MB（二级页表）的内存，这样占用空间不是更大了吗？

当然如果 4GB 的虚拟地址全部都映射到了物理内存上的话，二级分页占用空间确实是更大了，但是，我们往往不会为一个进程分配那么多内存。

其实我们应该换个角度来看问题，还记得计算机组成原理里面无处不在的局部性原理么？

每个进程都有 4GB 的虚拟地址空间，而显然对于大多数程序来说，其使用到的空间远未达到 4GB，因为会存在部分对应的页表项都是空的，根本没有分配，对于已分配的页表项，如果存在最近一定时间未访问的页表，在物理内存紧张的情况下，操作系统会将页面换出到硬盘，也就是说不会占用物理内存。

如果使用了二级分页，一级页表就可以覆盖整个 4GB 虚拟地址空间，但如果某个一级页表的页表项没有被用到，也就不需要创建这个页表项对应的二级页表了，即可以在需要时才创建二级页表。做个简单的计算，假设只有 20% 的一级页表项被用到了，那么页表占用的内存空间就只有 4KB（一级页表） + 20% * 4MB（二级页表）= 0.804MB，这对比单级页表的 4MB 是不是一个巨大的节约？

那么为什么不分级的页表就做不到这样节约内存呢？

我们从页表的性质来看，保存在内存中的页表承担的职责是将虚拟地址翻译成物理地址。假如虚拟地址在页表中找不到对应的页表项，计算机系统就不能工作了。所以页表一定要覆盖全部虚拟地址空间，不分级的页表就需要有 100 多万个页表项来映射，而二级分页则只需要 1024 个页表项（此时一级页表覆盖到了全部虚拟地址空间，二级页表在需要时创建）。

我们把二级分页再推广到多级页表，就会发现页表占用的内存空间更少了，这一切都要归功于对局部性原理的充分应用。

对于 64 位的系统，两级分页肯定不够了，就变成了四级目录，分别是：

  • 全局页目录项 PGD（Page Global Directory）；
  • 上层页目录项 PUD（Page Upper Directory）；
  • 中间页目录项 PMD（Page Middle Directory）；
  • 页表项 PTE（Page Table Entry）；

TLB

多级页表虽然解决了空间上的问题，但是虚拟地址到物理地址的转换就多了几道转换的工序，这显然就降低了这俩地址转换的速度，也就是带来了时间上的开销。

程序是有局部性的，即在一段时间内，整个程序的执行仅限于程序中的某一部分。相应地，执行所访问的存储空间也局限于某个内存区域。

我们就可以利用这一特性，把最常访问的几个页表项存储到访问速度更快的硬件，于是计算机科学家们，就在 CPU 芯片中，加入了一个专门存放程序最常访问的页表项的 Cache，这个 Cache 就是 TLB（Translation Lookaside Buffer） ，通常称为页表缓存、转址旁路缓存、快表等。

在 CPU 芯片里面，封装了内存管理单元（Memory Management Unit）芯片，它用来完成地址转换和 TLB 的访问与交互。

有了 TLB 后，那么 CPU 在寻址时，会先查 TLB，如果没找到，才会继续查常规的页表。

TLB 的命中率其实是很高的，因为程序最常访问的页就那么几个。

段页式内存管理

内存分段和内存分页并不是对立的，它们是可以组合起来在同一个系统中使用的，那么组合起来后，通常称为段页式内存管理。

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段页式内存管理实现的方式：

  • 先将程序划分为多个有逻辑意义的段，也就是前面提到的分段机制；
  • 接着再把每个段划分为多个页，也就是对分段划分出来的连续空间，再划分固定大小的页；

这样，地址结构就由段号、段内页号和页内位移三部分组成。

用于段页式地址变换的数据结构是每一个程序一张段表，每个段又建立一张页表，段表中的地址是页表的起始地址，而页表中的地址则为某页的物理页号，如图所示：

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段页式地址变换中要得到物理地址须经过三次内存访问：

  • 第一次访问段表，得到页表起始地址；
  • 第二次访问页表，得到物理页号；
  • 第三次将物理页号与页内位移组合，得到物理地址。

可用软、硬件相结合的方法实现段页式地址变换，这样虽然增加了硬件成本和系统开销，但提高了内存的利用率。

内存总结

  1. 为了在多进程环境下，使得进程之间的内存地址不受影响，相互隔离，于是操作系统就为每个进程独立分配一套虚拟地址空间， 每个程序只关心自己的虚拟地址就可以。
  2. 每个进程都有自己的虚拟空间，而物理内存只有一个，所以当启用了大量的进程，物理内存必然会很紧张，于是操作系统会通过内存交换技术，把不常使用的内存暂时存放到硬盘（换出），在需要的时候再装载回物理内存（换入）。
  3. 那么对于虚拟地址与物理地址的映射关系，可以有分段和分页的方式，同时两者结合都是可以的。
  4. 内存分段是根据程序的逻辑角度，分成了栈段、堆段、数据段、代码段等，这样可以分离出不同属性的段，同时是一块连续的空间。但是每个段的大小都不是统一的，这就会导致外部内存碎片和内存交换效率低的问题。于是，就出现了内存分页，把虚拟空间和物理空间分成大小固定的页，如在 Linux 系统中，每一页的大小为 4KB。由于分了页后，就不会产生细小的内存碎片，解决了内存分段的外部内存碎片问题。同时在内存交换的时候，写入硬盘也就一个页或几个页，这就大大提高了内存交换的效率。
  5. 再来，为了解决简单分页产生的页表过大的问题，就有了多级页表，它解决了空间上的问题，但这就会导致 CPU 在寻址的过程中，需要有很多层表参与，加大了时间上的开销。于是根据程序的局部性原理，在 CPU 芯片中加入了 TLB，负责缓存最近常被访问的页表项，大大提高了地址的转换速度。
  6. Linux 系统主要采用了分页管理，但是由于 Intel 处理器的发展史，Linux 系统无法避免分段管理。于是 Linux 就把所有段的基地址设为 0，也就意味着所有程序的地址空间都是线性地址空间（虚拟地址），相当于屏蔽了 CPU 逻辑地址的概念，所以段只被用于访问控制和内存保护。

内存分配

linux 内存分步

我们看看用户空间分布的情况，以 32 位系统为例，我画了一张图来表示它们的关系：

通过这张图你可以看到，用户空间内存从低到高分别是 6 种不同的内存段：

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  • 代码段，包括二进制可执行代码；
  • 数据段，包括已初始化的静态常量和全局变量；
  • BSS 段，包括未初始化的静态变量和全局变量；
  • 堆段，包括动态分配的内存，从低地址开始向上增长；
  • 文件映射段，包括动态库、共享内存等，从低地址开始向上增长（跟硬件和内核版本有关 (opens new window)）；
  • 栈段，包括局部变量和函数调用的上下文等。栈的大小是固定的，一般是 8 MB。当然系统也提供了参数，以便我们自定义大小；

在这 6 个内存段中，堆和文件映射段的内存是动态分配的。比如说，使用 C 标准库的 malloc() 或者 mmap() ，就可以分别在堆和文件映射段动态分配内存。

malloc 是如何分配内存的？

实际上，malloc() 并不是系统调用，而是 C 库里的函数，用于动态分配内存。

malloc 申请内存的时候，会有两种方式向操作系统申请堆内存。

  • 方式一：通过 brk() 系统调用从堆分配内存
  • 方式二：通过 mmap() 系统调用在文件映射区域分配内存；

方式一实现的方式很简单，就是通过 brk() 函数将「堆顶」指针向高地址移动，获得新的内存空间。如下图：

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方式二通过 mmap() 系统调用中「私有匿名映射」的方式，在文件映射区分配一块内存，也就是从文件映射区“偷”了一块内存。如下图：

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什么场景下 malloc() 会通过 brk() 分配内存？又是什么场景下通过 mmap() 分配内存？

malloc() 源码里默认定义了一个阈值：

  • 如果用户分配的内存小于 128 KB，则通过 brk() 申请内存；
  • 如果用户分配的内存大于 128 KB，则通过 mmap() 申请内存；

注意，不同的 glibc 版本定义的阈值也是不同的

为什么不全部使用mmap来分配内存

因为向操作系统申请内存，是要通过系统调用的，执行系统调用是要进入内核态的，然后在回到用户态，运行态的切换会耗费不少时间。

所以，申请内存的操作应该避免频繁的系统调用，如果都用 mmap 来分配内存，等于每次都要执行系统调用。

另外，因为 mmap 分配的内存每次释放的时候，都会归还给操作系统，于是每次 mmap 分配的虚拟地址都是缺页状态的，然后在第一次访问该虚拟地址的时候，就会触发缺页中断。

也就是说，频繁通过 mmap 分配的内存话，不仅每次都会发生运行态的切换，还会发生缺页中断（在第一次访问虚拟地址后），这样会导致 CPU 消耗较大。

为了改进这两个问题，malloc 通过 brk() 系统调用在堆空间申请内存的时候，由于堆空间是连续的，所以直接预分配更大的内存来作为内存池，当内存释放的时候，就缓存在内存池中。

等下次在申请内存的时候，就直接从内存池取出对应的内存块就行了，而且可能这个内存块的虚拟地址与物理地址的映射关系还存在，这样不仅减少了系统调用的次数，也减少了缺页中断的次数，这将大大降低 CPU 的消耗。

为什么不全部使用brk来分配内存

前面我们提到通过 brk 从堆空间分配的内存，并不会归还给操作系统，那么我们那考虑这样一个场景。

如果我们连续申请了 10k，20k，30k 这三片内存，如果 10k 和 20k 这两片释放了，变为了空闲内存空间，如果下次申请的内存小于 30k，那么就可以重用这个空闲内存空间。

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但是如果下次申请的内存大于 30k，没有可用的空闲内存空间，必须向 OS 申请，实际使用内存继续增大。

因此，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。

所以，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 (128KB) 才使用 mmap 分配内存空间。

free() 函数只传入一个内存地址，为什么能知道要释放多大的内存？

malloc 返回给用户态的内存起始地址比进程的堆空间起始地址多了 16 字节

这个多出来的 16 字节就是保存了该内存块的描述信息，比如有该内存块的大小。

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这样当执行 free() 函数时，free 会对传入进来的内存地址向左偏移 16 字节，然后从这个 16 字节的分析出当前的内存块的大小，自然就知道要释放多大的内存了。

内存总结

  1. 虚拟内存的作用

    • 虚拟内存可以使得进程对运行内存超过物理内存大小，没有被经常使用到的内存，我们可以把它换出到物理内存之外，比如硬盘上的 swap 区域。
    • 进程也没有办法访问其他进程的页表，所以这些页表是私有的，这就解决了多进程之间地址冲突的问题。
    • 页表里的页表项中除了物理地址之外，还有一些标记属性的比特，比如控制一个页的读写权限，标记该页是否存在等。在内存访问方面，操作系统提供了更好的安全性。

  2. malloc 奉陪是是物理内存吗

    分配的是虚拟内存， 没有被访问， 不会映射物理内存，这样不会占用物理内存

  3. malloc 会分配多大的虚拟内存

    malloc 会预分配更大的空间作为内存池

  4. free释放内存， 会归还给操作系统吗

    • malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；
    • malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

  5. 内存不足的时候，操作系统会有哪些动作

    内核在给应用程序分配物理内存的时候，如果空闲物理内存不够，那么就会进行内存回收的工作，主要有两种方式：

    • 后台内存回收：在物理内存紧张的时候，会唤醒 kswapd 内核线程来回收内存，这个回收内存的过程异步的，不会阻塞进程的执行。
    • 直接内存回收：如果后台异步回收跟不上进程内存申请的速度，就会开始直接回收，这个回收内存的过程是同步的，会阻塞进程的执行。

    可被回收的内存类型有文件页和匿名页：

    • 文件页的回收：对于干净页是直接释放内存，这个操作不会影响性能，而对于脏页会先写回到磁盘再释放内存，这个操作会发生磁盘 I/O 的，这个操作是会影响系统性能的。
    • 匿名页的回收：如果开启了 Swap 机制，那么 Swap 机制会将不常访问的匿名页换出到磁盘中，下次访问时，再从磁盘换入到内存中，这个操作是会影响系统性能的。

    文件页和匿名页的回收都是基于 LRU 算法，也就是优先回收不常访问的内存。回收内存的操作基本都会发生磁盘 I/O 的，如果回收内存的操作很频繁，意味着磁盘 I/O 次数会很多，这个过程势必会影响系统的性能。

TcMalloc

  1. 多级申请机制

    TreadCache: ThreadCache是每个线程各自独立拥有的cache，一个cache包含多个空闲内存链表（size classes），每一个链表（size-class）都有自己的object，每个object都是大小相同的。

    CentralCache：entralCache是当ThreadCache内存不足时，提供内存供其使用。它保持的是空闲块链表，链表数量和ThreadCache数量相同。ThreadCache中内存过多时，可以放回CentralCache中

    PageHeap： PageHeap保存的也是若干链表，不过链表保存的是Span（多个相同的page组成一个Span）。CentralCache内存不足时，可以从PageHeap获取Span，然后把Span切割成object。

    Virtual Memory: 操作系统虚拟内存页

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  1. 小对象内存的分配

TCMalloc 定义了很多个size class，每个size class都维护了一个可分配的的空闲列表，空闲列表中的每一项称为一个object（如下图），同一个size-class的空闲列表中每个object大小相同。
在申请小内存时(小于256K)，TCMalloc会根据申请内存大小映射到某个size-class中。
比如，申请0到8个字节的大小时，会被映射到size-class1中，分配8个字节大小；申请9到16字节大小时，会被映射到size-class2中，分配16个字节大小….以此类推。

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上面每一个object都是 N bytes。用于Thread Cache小内存分配。
这个就组成了每一个ThreadCache的free list，thread可以从各自的free list获取对象，不需要加锁，所以速度很快。

如果ThreadCache的free list为空呢？那就从CentralCache中的CentralFreeList中获取若干个object到ThreadCache对应的size class列表中，然后在取出其中一个object返回。
如果CentralFreeList中的object不够用了呢？那CentralFreeList就会向PageHeap申请一连串由Span组成页面，并将申请的页面切割成一系列的object之后，再将部分object转移给ThreadCache。
如果PageHeap也不够用了呢？那就向OS操作系统申请内存。
从上面论述可以看出，这也是一个多级缓存思想的应用。

当申请的内存大于256K时，不在通过ThreadCache分配，而是通过PageHeap直接分配大内存。

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