linux 虚拟地址空间在哪,Linux虚拟地址空间
Linux虚拟内存管理(glibc)
在使用mysql作为DB开发的兑换券系统中,随着分区表的不断创建,发现mysqld出现了疑似“内存泄露”现象,但通过 valgrind
等工具检测后,并没发现类似的问题(最终原因是由于glibc的内存碎片造成)。
因此,需要深入学习 Linux
的虚拟内存管理方面的内容来解释这个现象;Linux
的虚拟内存管理有几个关键概念:
1、每个进程都有独立的虚拟地址空间,进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址; 2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射,获得真正物理地址; 3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中,则产生缺页中断,真正分配物理地址,同时更新进程的页表;如果此时物理内存已耗尽,则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。 基于以上认识,进行了如下分析:一、Linux
虚拟地址空间如何分布?
Linux 使用虚拟地址空间,大大增加了进程的寻址空间,由低地址到高地址分别为: 1、只读段:该部分空间只能读,不可写;(包括:代码段、rodata
段(C常量字符串和#define定义的常量) )
2、数据段:保存全局变量、静态变量的空间; 3、堆 :就是平时所说的动态内存,
malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk
进行动态调整。 4、文件映射区域
:如动态库、共享内存等映射物理空间的内存,一般是mmap
函数所分配的虚拟地址空间。 5、栈:用于维护函数调用的上下文空间,一般为 8M ,可通过 ulimit –s
查看。 6、内核虚拟空间:用户代码不可见的内存区域,由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。
下图是 32
位系统典型的虚拟地址空间分布(来自《深入理解计算机系统》)。
32 位系统有4G 的地址空间::
其中
0x08048000~0xbfffffff 是用户空间,0xc0000000~0xffffffff
是内核空间,包括内核代码和数据、与进程相关的数据结构(如页表、内核栈)等。另外,%esp 执行栈顶,往低地址方向变化;brk/sbrk
函数控制堆顶_edata往高地址方向变化。
64位系统结果怎样呢? 64 位系统是否拥有 2^64
的地址空间吗? 事实上, 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变: 1、地址空间大小不是2^32,也不是2^64,而一般是2^48。因为并不需要
2^64
这么大的寻址空间,过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间,40位表示物理地址,
这可通过 /proc/cpuinfo 来查看 address sizes : 40 bits
physical, 48 bits virtual 2、其中,0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间,
0xFFFF800000000000~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间,共提供 256TB(2^48)
的寻址空间。
这两个区间的特点是,第 47 位与 48~63 位相同,若这些位为 0
表示用户空间,否则表示内核空间。 3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈;
三、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; int ordblks; int
smblks; int
hblks; int
hblkhd; int
usmblks; int fsmblks; int uordblks;
int fordblks;
int keepcost;
};
struct
mallinfo mallinfo();
void malloc_stats();
可通过以下例子来验证mallinfo和malloc_stats输出结果。
#include #include #include #include #include #include
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) //glibc默认128k以上使用mmap
{
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。 如果想知道堆内究竟有多少碎片,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!
四、既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放,为什么不全部使用 mmap
来分配,munmap直接释放呢? 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(mmap分配的内存可以会通过 munmap 进行 free
,实现真正释放)?而是仅仅对于大于 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。
同时堆是一个连续空间,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, ) 来修改这个临界值。
五、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 ps -o majflt,minflt -p 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。
六、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,特别是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,可以自己查(只用使用第三方库,代码不用修改,就可以使用第三方库中的malloc)。
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