Linux 内存使用方法详细解析

我是一名程序员,那么我在这里以一个程序员的角度来讲解Linux内存的使用。

一提到内存管理,我们头脑中闪出的两个概念,就是虚拟内存,与物理内存。这两个概念主要来自于linux内核的支持。

Linux在内存管理上份为两级,一级是线性区,类似于00c73000-00c88000,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,它对应我们机器上的物理内存。

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给用户,这时候才占用宝贵的物理内存。内核释放物理页面是通过释放线性区,找到其所对应的物理页面,将其全部释放的过程。

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,我们试想一下,每做一次内存操作,都要调用系统调用的话,那么程序将多么的低效。

实际上glibc采用了一种批发和零售的方式来管理内存。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,这样不可避免的就会产生内存碎块。而内存碎块,直接会导致大块内存申请无法满足,从而更多的占用系统资源;如果进行碎块整理的话,又会增加cpu的负荷,很多都是互相矛盾的指标,这里我就不细说了。

我们在写程序时,涉及内存时,有两个概念heap和stack。传统的说法stack的内存地址是向下增长的,heap的内存地址是向上增长的。

函数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。

在这里heap的内存地址向上增长,这句话不完全正确。

glibc对于heap内存申请大于128k的内存申请,glibc采用mmap的方式向内核申请内存,这不能保证内存地址向上增长;小于128k的则采用brk,对于它来讲是正确的。128k的阀值,可以通过glibc的库函数进行设置。

这里我先讲大块内存的申请,也即对应于mmap系统调用。

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块等问题。

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。

下面我要讲一个内存空洞的问题:

一个场景,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。

提一个问题:

为什么申请内存的时候,需要两个参数,一个是内存大小,一个是返回的指针;而释放内存的时候,却只要内存的指针呢?

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。

glibc提供的调试工具:

为了方便调试,glibc 为用户提供了 malloc 等等函数的钩子(hook),如 __malloc_hook

对应的是一个函数指针,

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

一些使用 malloc 的统计量(SVID 扩展)可以用 struct mallinfo 储存,可调用获得。

如何检测 memory leakage?glibc 提供了一个函数

void mtrace (void)及其反作用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

#ifdef DEBUGGING 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:

很简单的程序,其中 q 没有被释放。我们设置了环境变量后并且 touch 出该文件

执行结果如下:

该文件内容如下

到这里我基本上讲完了,我们写程序时,数据部分内存使用的问题。

 

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主要涉及软件的加载。

  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,将代码端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。

因此一个2M的程序,执行时,并不意味着为其分配了2M的物理内存,这与其运行了的代码量,与其所依赖的动态链接库有关。

 

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和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。

输出解释

CPU 以及CPU0。。。的每行的每个参数意思(以第一行为例)为:

参数 解释 /proc//status

查看机器可用内存

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中有这么一种思想,内存不用白不用,因此它尽可能的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简单的算进来。

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。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。(T002)

 

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