十问 Linux 虚拟内存管理 (glibc) (二)

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接上篇：十问 Linux 虚拟内存管理 (glibc) (一)

五.free 的内存真的释放了吗（还给 OS ） ?

前面所有例子都有一个很严重的问题，就是分配的内存都没有释放，即导致内存泄露。原则上所有 malloc/new 分配的内存，都需 free/delete 来释放。但是， free 了的内存真的释放了吗？

要说清楚这个问题，可通过下面例子来说明。

1. 初始状态：如图 (1) 所示，系统已分配 ABCD 四块内存，其中 ABD 在堆内分配， C 使用 mmap 分配。为简单起见，图中忽略了如共享库等文件映射区域的地址空间。

2. E=malloc(100k) ：分配 100k 内存，小于 128k ，从堆内分配，堆内剩余空间不足，扩展堆顶 (brk) 指针。

3. free(A) ：释放 A 的内存，在 glibc 中，仅仅是标记为可用，形成一个内存空洞 ( 碎片 ) ，并没有真正释放。如果此时需要分配 40k 以内的空间，可重用此空间，剩余空间形成新的小碎片。
   

4. free(C) ： C 空间大于 128K ，使用 mmap 分配，如果释放 C ，会调用 munmap 系统调用来释放，并会真正释放该空间，还给 OS ，如图 (4) 所示。

5. free(D) ：与释放 A 类似，释放 D 同样会导致一个空洞，获得空闲空间，但并不会还给 OS 。此时，空闲总空间为 100K ，但由于虚拟地址不连续，无法合并，空闲空间无法满足大于 60k 的分配请求。

6. free(E) ：释放 E ，由于与 D 连续，两者将进行合并，得到 160k 连续空闲空间。同时 E 是最靠近堆顶的空间， glibc 的 free 实现中，只要堆顶附近释放总空间（包括合并的空间）超过 128k ，即会调用 sbrk(-SIZE) 来回溯堆顶指针，将原堆顶空间还给 OS ，如图 (6) 所示。而堆内的空闲空间还是不会归还 OS 的。
   

由此可见：

1. malloc 使用 mmap 分配的内存 ( 大于 128k) ， free 会调用 munmap 系统调用马上还给 OS ，实现真正释放。

2. 堆内的内存，只有释放堆顶的空间，同时堆顶总连续空闲空间大于 128k 才使用 sbrk(-SIZE) 回收内存，真正归还 OS 。

3. 堆内的空闲空间，是不会归还给 OS 的。

六. 程序代码中 malloc 的内存都有相应的 free ，就不会出现内存泄露了吗？

狭义上的内存泄露是指 malloc 的内存，没有 free ，导致内存浪费，直到程序结束。而广义上的内存泄露就是进程使用内存量不断增加，或大大超出系统原设计的上限。

上一节说到， free 了的内存并不会马上归还 OS ，并且堆内的空洞（碎片）更是很难真正释放，除非空洞成为了新的堆顶。所以，如上一例子情况 (5) ，释放了 40k 和 60k 两片内存，但如果此时需要申请大于 60k （如 70k ），没有可用碎片，必须向 OS 申请，实际使用内存仍然增大。

因此，随着系统频繁地 malloc 和 free ，尤其对于小块内存，堆内将产生越来越多不可用的碎片，导致“内存泄露”。而这种“泄露”现象使用 valgrind 是无法检测出来的。

下图是 MySQL 存在大量分区表时的内存使用情况 (RSS 和 VSZ) ，疑似“内存泄露”。

因此，当我们写程序时，不能完全依赖 glibc 的 malloc 和 free 的实现。更好方式是建立属于进程的内存池，即一次分配 (malloc) 大块内存，小内存从内存池中获得，当进程结束或该块内存不可用时，一次释放 (free) ，可大大减少碎片的产生。

七. 既然堆内内存不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配？

由于堆内碎片不能直接释放，而问题 5 中说到 mmap 分配的内存可以会通过 munmap 进行 free ，实现真正释放。既然堆内碎片不能直接释放，导致疑似“内存泄露”问题，为什么 malloc 不全部使用 mmap 来实现呢？而仅仅对于大于 128k 的大块内存才使用 mmap ？

其实，进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap 都是系统调用，频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且， mmap 申请的内存被 munmap 后，重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配 1M 空间，第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ，当 munmap 后再次分配 1M 空间，会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为，会导致内核态 CPU 消耗较大。另外，如果使用 mmap 分配小内存，会导致地址空间的分片更多，内核的管理负担更大。

而堆是一个连续空间，并且堆内碎片由于没有归还 OS ，如果可重用碎片，再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断，这将大大降低 CPU 的消耗。

因此， glibc 的 malloc 实现中，充分考虑了 sbrk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>)来修改这个临界值。

八. 如何查看进程的缺页中断信息？

可通过以下命令查看缺页中断信息

ps -o majflt,minflt -C <program_name>
ps -o majflt,minflt -p <pid>

其中， majflt 代表 major fault ，指大错误， minflt 代表 minor fault ，指小错误。这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数。其中 majflt 与 minflt 的不同是， majflt 表示需要读写磁盘，可能是内存对应页面在磁盘中需要 load 到物理内存中，也可能是此时物理内存不足，需要淘汰部分物理页面至磁盘中。

例如，下面是 mysqld 的一个例子。

mysql@ TLOG_590_591:~> ps -o majflt,minflt -C mysqld
MAJFLT MINFLT
144856 15296294

如果进程的内核态 CPU 使用过多，其中一个原因就可能是单位时间的缺页中断次数多个，可通过以上命令来查看。

如果 MAJFLT 过大，很可能是内存不足。

如果 MINFLT 过大，很可能是频繁分配 / 释放大块内存 (128k) ， malloc 使用 mmap 来分配。对于这种情况，可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>)增大临界值，或程序实现内存池。

九. 如何查看堆内内存的碎片情况？

glibc 提供了以下结构和接口来查看堆内内存和 mmap 的使用情况。

struct mallinfo {
  int arena;    /* non-mmapped space allocated from system */
  int ordblks;  /* number of free chunks */
  int smblks;   /* number of fastbin blocks */
  int hblks;    /* number of mmapped regions */
  int hblkhd;   /* space in mmapped regions */
  int usmblks;  /* maximum total allocated space */
  int fsmblks;  /* space available in freed fastbin blocks */
  int uordblks; /* total allocated space */
  int fordblks; /* total free space */
  int keepcost; /* top-most, releasable (via malloc_trim) space */
};

/* 返回 heap(main_arena) 的内存使用情况，以 mallinfo 结构返回 */
struct mallinfo mallinfo();
/* 将 heap 和 mmap 的使用情况输出到 stderr  */
void malloc_stats();

可通过以下例子来验证 mallinfo 和 malloc_stats 输出结果。

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <malloc.h>
size_t  heap_malloc_total, heap_free_total,
                mmap_total, mmap_count;
void print_info()
{
        struct mallinfo mi = mallinfo();
        printf("count by itself:\n");
        printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\
\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
                heap_malloc_total*1024, heap_free_total*1024, heap_malloc_total*1024 - heap_free_total*1024,
                mmap_total*1024, mmap_count);
        printf("count by mallinfo:\n");
        printf("\theap_malloc_total=%lu heap_free_total=%lu heap_in_use=%lu\n\
\tmmap_total=%lu mmap_count=%lu\n",
                mi.arena, mi.fordblks, mi.uordblks,
                mi.hblkhd, mi.hblks);
      printf("from malloc_stats:\n");
        malloc_stats();
}

#define ARRAY_SIZE 200
int main(int argc, char** argv)
{
        char** ptr_arr[ARRAY_SIZE];
        int i;
        for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
                ptr_arr[i] = malloc(i * 1024);
                if ( i < 128)
                        heap_malloc_total += i;
                else {
                        mmap_total += i;
                        mmap_count++;
                }

        }
        print_info();
        for( i = 0; i < ARRAY_SIZE; i++) {
                if ( i % 2 == 0)
                        continue;
                free(ptr_arr[i]);
                if ( i < 128)
                        heap_free_total += i;
                else {
                        mmap_total -= i;
                        mmap_count--;
                }
        }
        printf("\nafter free\n");
        print_info();
        return 1;
}

该例子第一个循环为指针数组每个成员分配索引位置 (KB) 大小的内存块，并通过 128 为分界分别对 heap 和 mmap 内存分配情况进行计数；第二个循环是 free 索引下标为奇数的项，同时更新计数情况。通过程序的计数与 mallinfo/malloc_stats 接口得到结果进行对比，并通过 print_info 打印到终端。

下面是一个执行结果：

count by itself:
        heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=0 heap_in_use=8323072
        mmap_total=12054528 mmap_count=72
count by mallinfo:
        heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=2032 heap_in_use=8325136
        mmap_total=12238848 mmap_count=72
from malloc_stats:
Arena 0:
system bytes     =    8327168
in use bytes     =    8325136
Total (incl. mmap):
system bytes     =   20566016
in use bytes     =   20563984
max mmap regions =         72
max mmap bytes   =   12238848

after free

count by itself:
        heap_malloc_total=8323072 heap_free_total=4194304 heap_in_use=4128768
        mmap_total=6008832 mmap_count=36
count by mallinfo:
        heap_malloc_total=8327168 heap_free_total=4197360 heap_in_use=4129808
        mmap_total=6119424 mmap_count=36
from malloc_stats:
Arena 0:
system bytes     =    8327168
in use bytes     =    4129808
Total (incl. mmap):
system bytes     =   14446592
in use bytes     =   10249232
max mmap regions =         72
max mmap bytes   =   12238848

由上可知，程序统计和 mallinfo 得到的信息基本吻合，其中 heap_free_total 表示堆内已释放的内存碎片总和。

如果想知道堆内片究竟有多碎 ，可通过 mallinfo 结构中的 fsmblks 、 smblks 、 ordblks 值得到，这些值表示不同大小区间的碎片总个数，这些区间分别是 0~80 字节， 80~512 字节， 512~128k 。如果 fsmblks 、 smblks 的值过大，那碎片问题可能比较严重了。

不过， mallinfo 结构有一个很致命的问题，就是其成员定义全部都是 int ，在 64 位环境中，其结构中的 uordblks/fordblks/arena/usmblks 很容易就会导致溢出，应该是历史遗留问题，使用时要注意！

十. 除了 glibc 的 malloc/free ，还有其他第三方实现吗？

其实，很多人开始诟病 glibc 内存管理的实现，就是在高并发性能低下和内存碎片化问题都比较严重，因此，陆续出现一些第三方工具来替换 glibc 的实现，最著名的当属 google 的 tcmalloc 和 facebook 的 jemalloc 。

网上有很多资源，可搜索之，这里就不详述了。

总结

基于以上认识，最后发现 MySQL 的疑似“内存泄露”问题一方面是 MySQL 5.5 分区表使用更多的内存，另一方面跟内存碎片有关，这也是 TMySQL 一个优化方向。

然而，以上主要介绍了 glibc 虚拟内存管理主要内容，事实上，在并发情况下， glibc 的虚存管理会更加复杂，碎片情况也可能更严重，这将在另一篇再做介绍。

参考文章：
《深入理解计算机系统》第 10 章
http://www.kernel.org/doc/Documentation/x86/x86_64/mm.txt
https://en.wikipedia.org/wiki/X86-64#Canonical_form_addresses
https://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-lvm64/
http://www.kerneltravel.net/journal/v/mem.htm
http://blog.csdn.net/baiduforum/article/details/6126337
http://www.nosqlnotes.net/archives/105