C++性能优化(八)——内存分配机制

一、操作系统内存布局

1、32位系统经典内存布局

Linux Kernel 2.6.7前版本采用的默认内存布局形式如下：

(1)32操作系统中，loader将可执行文件的各个段次依次载入到从0x80048000(128M)位置开始的空间中。应用程序能够访问的最后地址是0xbfffffff(3G)的位置，3G以上的位置是给内核使用的，应用程序不能直接访问。

(2)内存布局从低地址到高地址依次为：txet段、data段、bss段、heap、mmap映射区、stack栈区。

(3)heap和mmap是相对增长的，heap只有1G的虚拟地址空间可供使用。​

(4)stack空间不需要映射，用户可以直接访问栈空间，因此是利用堆栈溢出进行的基础。

起始1GB地址为内核空间，随后是向下增加的栈空间和由0x40000000向上增加的MMAP地址；堆空间从底部开始，去除ELF、数据段、代码段、常量段后的地址，并向上增长。缺点是容易遭受溢出，堆地址空间只有不到1GB。

2、32位系统默认内存布局

Linux Kernel 2.6.7版本后32位操作系统的默认内存布局方式如下：

在经典内存布局基础上增加了Random offset随机偏移，不容易遭受溢出***；堆地址向上增长，但MMAP向下增长，栈空间不是动态增长的，会受到限制；内存地址利用率较高。

栈自顶向下扩展，但栈有边界，因此栈大小有限制(ulimit  -s查看)。堆自底向上扩展，mmap映射区自顶向下扩展，mmap和heap是相对扩展，直至消耗尽虚拟地址空间中的剩余区域。

3、64位系统内存布局

64位操作系统的寻址空间比较大，沿用32位操作系统的经典内存布局，增加随机MMAP地址，防止溢出***。

二、操作系统内存管理机制

1、操作系统内存管理简介

内存管理自底向上分为三个层次：

(1)操作系统内核的内存管理。

(2)glibc层使用系统调用维护的内存管理算法。

(3)应用程序从glibc动态分配内存后，根据应用程序本身的程序特性进行优化，比如使用引用计数std::shared_ptr，内存池方式等等。

应用程序可以直接使用系统调用从内核分配内存，根据程序特性自己维护内存，但会大大增加开发成本。

2、操作系统内存管理机制

Linux Kernel内存管理的基本思想是内存延迟分配，即只有在真正访问一个地址的时候才建立地址的物理映射。Linux Kernel在用户申请内存的时候，只分配一个虚拟地址，并没有分配实际物理地址，只有当用户使用内存时，Linux Kernel才会分配具体的物理地址给用户使用。

对于大内存，通常不同的内存分配方式都是直接MMAP；对于小数据，则通过向操作系统申请扩大堆顶，操作系统会把内存分页映射到进程堆空间，再由malloc管理内存堆块，减少系统调用；free内存时，不同内存分配方式有不同策略，不一定会将内存还给操作系统，因此如果访问释放的内存并不会立即Run Time Error，只有访问的地址没有对应的内存分页才会。

对于heap操作，操作系统提供brk系统调用，c运行库提供sbrk库函数；对于mmap映射区操作，操作系统提供了mmap和munmap系统调用。

3、heap操作系统调用接口

#include

int brk(void *addr);

void *sbrk(intptr_t increment);

当参数increment为0时，sbrk返回进程当前的brk值，increment为正数