Linux在内存管理上份为两级，一级是线性区，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，对应机器上的物理内存。

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，这时候才占用真实的物理内存。内存释放是通过虚拟地址，找到其所对应的物理页面，释放物理页 面，然后释放线性区。

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，试想一下，每做一次内存操作，都要调用系统调用的话，那么会多么的低效。

实 际上glibc的内存管理器采用了二次分配的方式来管理内存。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，这样不可避免会产生内存碎片。而内存碎片会导致大块内存申请无法满足，从而更多的占用系统资源；如果进行碎片整理的话， 又会增加cpu的负荷。

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。

glibc对 于大于128k的heap内存申请，采用mmap的方式向内核申请内存；小于128k的则采用brk。128k的阈值，可以通过glibc的库函数进行设 置。

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片等问题。

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。

考虑一个内存空洞的场景，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。


为什么而释放内存的时候只要内存的指针呢？

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。

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，这也是为什么分配大小为0的内存能够成功的原因。

glibc提供的调试工具：

为了方便调试，glibc 为用户提供了malloc函数的钩子__malloc_hook，其实是一个特定类型的函数指针。
例子如下

#include <stdio.h> #include <malloc.h> /* Prototypes for our hooks. */ static void my_init_hook(void); static void *my_malloc_hook(size_t, const void *); /* Variables to save original hooks. */ static void *(*old_malloc_hook)(size_t, const void *); /* Override initialising hook from the C library. */ void (*__malloc_initialize_hook) (void) = my_init_hook; static void my_init_hook(void) { old_malloc_hook = __malloc_hook; __malloc_hook = my_malloc_hook; } static void * my_malloc_hook (size_t size, const void *caller) { void *result; /* Restore all old hooks */ __malloc_hook = old_malloc_hook; /* Call recursively */ result = malloc (size); /* Save underlying hooks */ old_malloc_hook = __malloc_hook; /* 'printf' might call 'malloc', so protect it too. */ printf ("malloc(%u) called from %p returns %p0, (unsigned int) size, caller, result); /* Restore our own hooks */ __malloc_hook = my_malloc_hook; return result; }

其中 caller 是调用 malloc 返回值的接受者（一个指针的地址）。
__malloc_initialize_hook仅仅会调用一次 （第一次分配动态内存时）。



如何检测 memory leakage？
glibc 提供了函数void mtrace (void)以及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DEBUG宏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 <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <mcheck.h> int main( int argc, char *argv[] ) { int *p, *q ; #ifdef DEBUG 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export MALLOC_TRACE=~/trace.txt
结果如下：

p = 0x8ee2378
q = 0x8ee2388

trace.txt 内容如下
= Start
@ ./test:[0x8048678] + 0x8ee2378 0x4
@ ./test:[0x8048687] + 0x8ee2388 0x4
@ ./test:[0x80486c1] - 0x8ee2378




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主要涉及程序的加载。

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，将代码段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，如果没有则使用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。


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/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 进程（PID）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

查看机器可用内存

[root@localhost ~]# free total used free shared buffers cached Mem: 1026860 753136 273724 0 191284 417336 -/+ buffers/cache: 144516 882344 Swap: 2031608 132408 1899200

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。如果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。


[NOTE]

在Linux下，glibc 的malloc提供了下面两种动态内存管理的方法：堆内存分配和mmap的内存分配，此两种分配方法都是通过相应的Linux 系统调用来进行动态内存管理的。具体使用哪一种方式分配，根据glibc的实现，主要取决于所需分配内存的大小。一般情况中，应用层面的内存从进程堆中分 配，当进程堆大小不够时，可以通过系统调用brk来改变堆的大小，但是在以下情况，一般由mmap系统调用来实现应用层面的内存分配：A、应用需要分配大 于特定数值的内存，B、在没有连续的内存空间能满足应用所需大小的内存时。

(1)、调用brk实现进程里堆内存分配

在glibc中，当进程所需要的内存较小时，该内存会从进程的堆中分配，但是堆分配出来的内存空间，系统一般不会回收，只有当进程的堆大小到达最大限额时 或者没有足够连续大小的空间来为进程继续分配所需内存时，才会回收不用的堆内存。在这种方式下，glibc会为进程堆维护一些固定大小的内存池以减少内存 碎片。

(2)、使用mmap的内存分配

在glibc中，一般在比较大的内存分配时使用mmap系统调用，它以页为单位来分配内存的，这不可避免会带来内存浪费，但是当进程调用free释放所分 配的内存时，glibc会立即调用unmmap，把所分配的内存空间释放回系统。

注意：这里我们讨论的都是虚拟内存的分配 （即应用层面上的内存分配），主要由glibc来实 现，它与内核中实际物理内存的分配是不同的层面，进程所分配到的虚拟内存可能没有对应的物理内存。如果所分配的虚拟内存没有对应的物理内存时，操作系统会 利用缺页机制来为进程分配实际的物理内存。