Linux高性能编程-malloc原理

引言

在Linux系统中，malloc函数是程序员最常用的内存分配函数之一。它用于动态分配内存，令程序可以凭借运行时的需求来调整内存使用。malloc的原理和性能对于领会Linux高性能编程至关重要。

malloc函数简介

malloc是C标准库中的函数，其原型如下：

void *malloc(size_t size);

它接受一个无符号整型参数size，描述需要分配的内存字节数。如果分配顺利，malloc返回一个指向分配内存的指针；如果分配未果，则返回NULL。

malloc的工作原理

malloc的工作原理可以分为以下几个步骤：

• 检查参数size是否有效
• 搜索空闲内存块
• 调整内存块大小以满足请求
• 返回指向分配内存的指针

内存分配策略

Linux中的malloc使用了多种内存分配策略，其中最著名的是ptmalloc（per-thread malloc），也就是POSIX线程版本的malloc。以下是ptmalloc的重点内存分配策略：

• 内存池（ arenas ）：ptmalloc将内存分成多个内存池，每个线程拥有自己的内存池，以缩减线程间的竞争。
• 大小类（ size classes ）：内存池中的内存块按照大小被分类，每个大小类包含多个大小相近的内存块。
• 空闲列表（ free lists ）：每个大小类维护一个空闲列表，列表中的内存块是可用的。
• 内存碎片整理（ defragmentation ）：当内存池中的空闲内存不足时，ptmalloc会尝试合并相邻的空闲内存块，以缩减内存碎片。

内存分配流程

以下是malloc的详细分配流程：

1. 检查请求的内存大小是否在ptmalloc拥护的大小范围内。如果不在这个范围内，malloc将尝试分配一个更大的内存池。
2. 搜索当前线程内存池中的空闲列表，找到第一个大小大于或等于请求大小的空闲内存块。
3. 如果找到了合适的内存块，检查是否需要调整内存块大小。如果需要调整，将内存块分割成两个部分：一个部分分配给请求者，另一个部分保留在空闲列表中。
4. 如果当前线程内存池中没有合适的空闲内存块，检查其他线程的内存池。如果其他线程的内存池中有足够的空闲内存，可以尝试从其他线程的内存池中借用内存块。
5. 如果所有线程的内存池都没有足够的空闲内存，ptmalloc将尝试从系统的虚拟内存中分配一个新的内存池。
6. 如果无法从虚拟内存中分配新的内存池，malloc将返回NULL，描述内存分配未果。

内存释放

释放内存是malloc的重要补充，它通过free函数实现。free函数的原型如下：

void free(void *ptr);

它接受一个指向已分配内存的指针，ptmalloc将这个内存块标记为空闲，并尝试将其合并到相邻的空闲内存块中，以缩减内存碎片。

内存碎片问题

内存碎片是malloc面临的一个重点问题。内存碎片分为两种：外部碎片和内部碎片。

• 外部碎片：空闲内存块被分割成多个小块，但这些小块的总大小仍然大于请求的内存大小。
• 内部碎片：分配的内存块比请求的内存大小大，出于malloc通常会分配比请求大一点的内存块，以缩减内存碎片。

ptmalloc通过内存池、大小类和空闲列表等机制来缩减内存碎片，减成本时间内存分配的效能。

总结

malloc是Linux系统中非常重要的内存分配函数，它的工作原理和性能对程序的性能有着重要影响。领会malloc的内存分配策略、内存池、大小类和空闲列表等概念，可以帮助程序员编写出更加高效和稳定的程序。

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