Linux操作系统的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。
char *p=malloc(2048) //这里只是分配了虚拟内存2048，并不占用实际内存。
strcpy(p,”123”) //分配了物理页面，虽然只是使用了3个字节，但内存还是为它分配了2048字节的物理内存。
free(p) //通过虚拟地址，找到其所对应的物理页面，释放物理页面，释放线性区。
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：
char *p=malloc(2);
free(p) ;
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。
chunk ------size
p------------ content
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，
void *function (size_t size, const void *caller)
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。
struct mallinfo mallinfo (void)
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：
#include
#include
#include

 

int main( int argc, char *argv[] )
{
 int *p, *q ;
 #ifdef DEBUGGING
 mtrace( ) ;
 #endif
 p = malloc( sizeof( int ) ) ;
 q = malloc( sizeof( int ) ) ;
 printf( "p = %p\nq = %p\n", p, q ) ;
 *p = 1 ;
 *q = 2 ;
 free( p ) ;
 return 0 ;
}

 

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：
p = 0x98c0378q = 0x98c0388

 

该文件内容如下
= Star
t@./test30:[0x8048446] + 0x98c0378 0x4
@ ./test30:[0x8048455] + 0x98c0388 0x4
@ ./test30:[0x804848f] - 0x98c0378
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。
/proc/meminfo 机器的内存使用信息
/proc/pid/maps pid为进程号，显示当前进程所占用的虚拟地址。
/proc/pid/statm 进程所占用的内存
[root@localhost ~]# cat /proc/self/statm
654 57 44 0 0 334 0

 

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
Size (pages) 任务虚拟地址空间的大小 VmSize/4
Resident(pages) 应用程序正在使用的物理内存的大小 VmRSS/4
Shared(pages) 共享页数 0
Trs(pages) 程序所拥有的可执行虚拟内存的大小 VmExe/4
Lrs(pages) 被映像到任务的虚拟内存空间的库的大小 VmLib/4
Drs(pages) 程序数据段和用户态的栈的大小 （VmData+ VmStk ）4
dt(pages) 04

 

查看机器可用内存
/proc/28248/>free
total used free shared buffers cached
Mem: 1023788 926400 97388 0 134668 503688
-/+ buffers/cache: 288044 735744
Swap: 1959920 89608 1870312
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。