常见C内存管理程序

本文主要关注的是C内存管理程序，比较著名的几个C内存管理程序，其中包括：

l   Doug Lea Malloc：Doug Lea Malloc实际上是完整的一组分配程序，其中包括Doug Lea的原始分配程序，GNU libc分配程序和ptmalloc。Doug Lea的分配程序加入了索引，这使得搜索速度更快，并且可以将多个没有被使用的块组合为一个大的块。它还支持缓存，以便更快地再次使用最近释放的内存。ptmalloc是Doug Lea Malloc 的一个扩展版本，支持多线程。在本文后面的部分详细分析ptamlloc2的源代码实现。

l   BSD Malloc：BSD Malloc是随4.2 BSD发行的实现，包含在FreeBSD之中，这个分配程序可以从预先确实大小的对象构成的池中分配对象。它有一些用于对象大小的 size类，这些对象的大小为2的若干次幂减去某一常数。所以，如果您请求给定大小的一个对象，它就简单地分配一个与之匹配的size类。这样就提供了一个快速的实现，但是可能会浪费内存。

l   Hoard：编写Hoard的目标是使内存分配在多线程环境中进行得非常快。因此，它的构造以锁的使用为中心，从而使所有进程不必等待分配内存。它可以显著地加快那些进行很多分配和回收的多线程进程的速度。

l   TCMalloc：（Thread-Caching Malloc）是google开发的开源工具──“google-perftools”中的成员。与标准的Glibc库的malloc相比，TCMalloc在内存的分配上效率和速度要高得多。TCMalloc是一种通用内存管理程序，集成了内存池和垃圾回收的优点，对于小内存，按8的整数次倍分配，对于大内存，按4K的整数次倍分配。这样做有两个好处，一是分配的时候比较快，那种提供几十种选择的内存池，往往要遍历一遍各种长度，才能选出合适的种类，而TCMalloc则可以简单地做几个运算就行了。二是短期的收益比较大，分配的小内存至多浪费7个字节，大内存则4K。但是长远来说，TCMalloc分配的种类还是比别的内存池要多很多的，可能会导致复用率很低。 TCMalloc还有一套高效的机制回收这些空闲的内存。当一个线程的空闲内存比较多的时候，会交还给进程，进程可以把它调配给其他线程使用；如果某种长度交还给进程后，其他线程并没有需求，进程则把这些长度合并成内存页，然后切割成其他长度。如果进程占据的资源比较多呢，据说不会交回给操作系统。周期性的内存回收，避免可能出现的内存爆炸式增长的问题。TCMalloc有比较高的空间利用率，只额外花费1%的空间。尽量避免加锁（一次加锁解锁约浪费100ns），使用更高效的spinlock，采用更合理的粒度。小块内存和打开内存分配采取不同的策略：小于32K的被定义为小块内存，小块内存按大小被分为8Bytes，16Bytes，。。。，236Bytes进行分级。不是某个级别整数倍的大小都会被分配向上取整。如13Bytes的会按16Bytes分配，分配时，首先在本线程相应大小级别的空闲链表里面找，如果找到的话可以避免加锁操作（本线程的cache只有本线程自己使用）。如果找不到的话，则尝试从中心内存区的相应级别的空闲链表里搬一些对象到本线程的链表。如果中心内存区相应链表也为空的话，则向中心页分配器请求内存页面，然后分割成该级别的对象存储。大块内存处理方式：按页分配，每页大小是4K，然后内存按1页，2页，……，255页的大小分类，相同大小的内存块也用链表连接。

各种C内存管理程序实现的对比

策略	分配速度	回收速度	局部缓存	易用性	通用性	SMP线程友好度
GNU Malloc	中	快	中	容易	高	中
Hoard	中	中	中	容易	高	高
TCMalloc	快	快	中	容易	高	高

从上表可以看出，TCMalloc的优势还是比较大的，TCMalloc的优势体现在：

l   分配内存页的时候，直接跟OS打交道，而常用的内存池一般是基于别的内存管理器上分配，如果完全一样的内存管理策略，明显TCMalloc在性能及内存利用率上要省掉第三方内存管理的开销。之所以会出现这种情况，是因为大部分写内存池的coder都不太了解OS

l   大部分的内存池只负责分配，不管回收。当然了，没有回收策略，也有别的方法解决问题。比如线程之间协调资源，模索模块一般是一写多读，也就是只有一个线程申请、释放内存，就不存在线程之间协调资源；为了避免某些块大量空闲，常用的做法是减少内存块的种类，提高复用率，这可能会造成内部碎片比较多，如果空闲的内存实在太多了，还可以直接重启。

作为一个通用的内存管理库，TCMalloc也未必能超过专用的比较粗糙的内存池。比如应用中主要用到7种长度的块，专用的内存池，可以只分配这7种长度，使得没有内部碎片。或者利用统计信息设置内存池的长度，也可以使得内部碎片比较少。

所以TCMalloc的意义在于，不需要增加任何开发代价，就能使得内存的开销比较少，而且可以从理论上证明，最优的分配不会比TCMalloc的分配好很多。

来源： http://blog.csdn.net/zgl07/article/details/8941870

对比Glibc可以发现，两者的思想其实是差不多的，差别只是在细节上，细节上的差别，对工程项目来说也是很重要的，至少在性能与内存使用率上TCMalloc是领先很多的。Glibc在内存回收方面做得不太好，常见的一个问题，申请很多内存，然后又释放，只是有一小块没释放，这时候Glibc就必须要等待这一小块也释放了，也把整个大块释放，极端情况下，可能会造成几个G的浪费。