linux 是如何进行内存分配的 _linux

虚拟内存管理回顾在 linux 操作系统中，虚拟地址空间的内部又被分为内核空间和用户空间两部分，不同位数的系统，地址空间的范围也不同。比如最常见的 32 位和 64 位系统，如下所示：

文章插图

通过这里可以看出：

32 位系统的内核空间占用 1G，位于最高处，剩下的 3G 是用户空间；
64 位系统的内核空间和用户空间都是 128T，分别占据整个内存空间的最高和最低处，剩下的中间部分是未定义的。

再来说说，内核空间与用户空间的区别：

进程在用户态时，只能访问用户空间内存；
只有进入内核态后，才可以访问内核空间的内存；

虽然每个进程都各自有独立的虚拟内存，但是每个虚拟内存中的内核地址，其实关联的都是相同的物理内存。这样，进程切换到内核态后，就可以很方便地访问内核空间内存。

文章插图

我们看看用户空间分布的情况，以 32 位系统：

文章插图

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：

0x0000 0000 到 0x0804 8000 这段虚拟内存地址是一段不可访问的保留区，因为在大多数操作系统中，数值比较小的地址通常被认为不是一个合法的地址，这块小地址是不允许访问的。比如在 C 语言中我们通常会将一些无效的指针设置为 NULL，指向这块不允许访问的地址。
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；
堆空间的上边是一段待分配区域，用于扩展堆空间的使用
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
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；

申请内存的两种方式申请内存空间一般就两种方法，一种是malloc，另一种是 mmap映射空间。在使用malloc()分配内存的时候，可能系统调用brk()，也可能调用mmap() 。
malloc的调用规律1. 即分配一块小型内存(小于或等于128kb)，malloc()会调用brk 函数将堆顶指针向高地址移动，获得新的内存空间。
2. 当分配一块大型内存(大于128kb)，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
申请内存过程图

文章插图

需要注意的是，malloc() 分配的是虚拟内存。
如果分配后的虚拟内存没有被访问的话，虚拟内存是不会映射到物理内存的，这样就不会占用物理内存了。
只有在访问已分配的虚拟地址空间的时候，操作系统通过查找页表，发现虚拟内存对应的页没有在物理内存中，就会触发缺页中断，然后操作系统会建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。
缺页中断就是要访问的页不在主存，需要操作系统将其调入主存后再进行访问。在这个时候，被内存映射的文件实际上成了一个分页交换文件。
malloc 申请的内存，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。

mmap 和 brk 分配内存的区别mmap 来分配内存的问题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。