Linux高性能编程-malloc原理

大家好，这里是物联网心球。

谈到高性能编程，我们绕不过一个问题高效内存分配，通常我们会使用malloc和free函数来申请和释放内存。

那么我们习以为常的malloc和free函数，真的能满足高性能编程的要求吗？

带着这个问题我们来深入理解malloc和free函数实现原理。

1.ptmalloc工作原理

malloc和free函数属于glibc库的ptmalloc模块，我们得通过学习glibc源码了解ptmalloc工作原理。源码位置：glibc/malloc/malloc.c。

1.1 ptmalloc软件架构

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ptmalloc内存池是一个比较复杂的软件模块，会涉及到malloc_state，malloc_chunk，mmap，brk等概念。

ptmalloc通过brk（堆内存）或者mmap（内存映射）系统调用从内核申请一大块连续的内存，申请的内存由top chunk管理，用户程序调用malloc函数从内存池申请内存（chunk），如果内存池有空闲的chunk，则从空闲的chunk返回给用户程序，如果没有空闲的chunk，则从top chunk裁剪出可用的chunk返回给用户程序。

用户程序调用free函数将会释放chunk至空闲链表或top chunk。

我们将围绕两个比较重要的概念来进行讲解：malloc_state和malloc_trunk。

1) malloc_state

    ptmalloc由struct malloc_state统一管理，定义如下：

struct malloc_state
{
  __libc_lock_define (, mutex);    //互斥锁
  int flags;                                 //标志 
  mfastbinptr fastbinsY[NFASTBINS];  //fastbins
  mchunkptr top;                               //top chunk 
  mchunkptr bins[NBINS * 2 - 2];        //unsortedbins,smallbins,largebins
  unsigned int binmap[BINMAPSIZE]; //bin位图
  struct malloc_state *next;                //链表指针
  ......
};

malloc_state有几个重要成员：fastbinsY，top，bins，binmaps，next。

• fastbinsY数组：fastbins，用于存储16-160字节chunk的空闲链表。
• bins数组：bins分为三个部分：unsortedbins，smallbins，largebins：

unsortedbins：chunk缓存区，用于存储从fastbins合并的空闲chunk。

smallbins：空闲链表，用于存储32-1024字节的chunk。

largebins：空闲链表，用于存储大于1024字节的chunk。

• top chunk：超级chunk，ptmalloc内存池。
• binmap：可用bins位图，用于快速查找可用bin。
• next：单向链表指针，用于连接不同的malloc_state。

进程通常会有多个malloc_state，进程启动时，由主线程创建第一个malloc_state称为主分配区（main_state），主分配区的内存通过brk（堆）或者malloc（内存映射）从内核申请而来，这也解释了为什么malloc可以从堆区分配内存。

如果程序所有的线程都使用主分配区分配内存，那么多线程会存在竞争关系，为了解决这个问题，进程会根据实际情况动态创建非主分配区（thread_state），thread_state分配区内存池内存只能通过mmap从内核申请，当主分配区被使用或者没有可用的分配区时，系统会创建一个新的分配区，这样可以减少多线程竞争，提高内存分配效率。

当然malloc_state数量并不是没有限制，通常malloc_state数量最多为CPU核心数的数倍，超过该阈值后将不能再创建新的分配区。如果一个程序线程数量太多，会加剧对分配区的竞争。

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2）malloc_chunk

    ptmalloc以malloc_chunk为单位申请和释放内存，struct malloc_chunk定义如下：

struct malloc_chunk {
  INTERNAL_SIZE_T mchunk_prev_size; //前一个chunk大小
  INTERNAL_SIZE_T mchunk_size;   //当前chunk大小，后三位为A,M,P
  struct malloc_chunk* fd;      //链表后驱指针
  struct malloc_chunk* bk;      //链表前驱指针
  struct malloc_chunk* fd_nextsize; //largebins后驱指针
  struct malloc_chunk* bk_nextsize; //largebins前驱指针
};

    chunk是ptmalloc最难理解的一个概念，只有理解了chunk才能真正理解ptmalloc。

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chunk是从内存池裁剪下来的内存块，这个内存块由malloc_chunk管理。

 malloc_chunk对象mchunk_prev_size和mchunk_size成员为chunk头部，chunk头部将会伴随chunk整个生命周期，用于记录和识别chunk。

内存块除了chunk头部外就是内存区域，当chunk分配给用户程序后，内存区域用于存储用户数据，如果chunk处于空闲状态，将会借用内存区域前16个字节作为链表指针，将chunk插入空闲链表。

3）fastbins数组

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fastbins数组长度为10，每个数组元素都是一个chunk链表头，10个链表分别存储16-160字节的chunk，步长为16字节，malloc函数申请小于160字节的内存时，从fastbins空闲链表查找匹配的chunk进行分配。

4）bins数组

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bins数组长度为128，可以分为三部分：unsortedbins，smallbins，largebins。

unsortedbins：bins数组0号元素，unsortedbins是一个特殊的链表，该链表是一个chunk缓存区，用于存储从fastbins合并的空闲chunk，目的是为了回收小块内存，解决内存碎片问题。

smallbins：bins数组1-63号元素，和fastbins功能一样，smallbins用于存储32-1008字节的空闲chunk。

largebins：bins数组64-127号元素，用于存储超过1024字节大小的空闲chunk。

5）top chunk

top chunk可以理解为超级chunk，当bins空闲链表中没有匹配的chunk分配给用户程序时，top chunk将会被裁剪，裁剪成用户chunk和剩余chunk，用户chunk分配给用户程序，剩余chunk继续由top chunk管理。

如果top chunk内存不足，调用brk或者mmap从内核申请内存对top chunk扩容，并将扩容后的内存块裁剪分配给用户程序。

1.2 malloc函数流程分析

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用户程序调用malloc函数申请内存时，首先会去查询空闲链表，如果空闲链表没有足够的chunk，则去查询top chunk进行内存分配。

如果top chunk没有足够的内存，说明内存池内存不足，需要通过brk或者mmap扩容。

注意：内存池内存不够，并不一定表示内存都被用完，也有可能是存在内存碎片。

1.3 free函数流程分析

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用户程序调用free函数释放内存，优先将内存释放至空闲链表，如果释放至空闲链表失败，则释放至top chunk，如果释放的内存比较大，可能通过munmap或者brk回收至内核。

2.ptmalloc高并发测试

前一小节，我们花了比较多的精力去学习ptmalloc实现原理，对于很多项目来说，我们不需要花过多时间去研究ptmalloc实现原理，直接使用malloc和free函数即可，然而对于高并发项目，我们得深入理解ptmalloc实现原理，从而清楚地知道ptmalloc存在的问题，为后续优化打好基础。

2.1 ptmalloc常见问题

    通过学习ptmalloc实现原理，我们会发现ptmalloc存在两个问题：锁竞争问题和内存碎片问题。

• 锁竞争问题
  struct malloc_state结构定义了一个mutex成员，多线程想要通过分配区进行内存分配时需要加锁，频繁分配内存会导致频繁加锁。
• 内存碎片问题

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ptmalloc通过mmap或brk从内核申请一大块连续的内存，调用malloc函数会将这块大的内存裁剪成一块块小的内存，如果其中某些小的内存块一直不释放至内存池，将导致小的内存块无法合并成大的内存块，造成内存碎片，严重的情况会导致内存泄露，程序退出。

2.2 ptmalloc高并发测试

1）测试代码

采用多个线程循环申请和释放内存，每次随机申请SIZE_THREHOLD范围大小内存，如果申请的内存小于LEAK_THREHOLD大小，则申请的内存不释放，人为制造内存泄露，并实时统计泄露内存总量。

 测试项：频繁加锁测试，内存碎片测试。

• 频繁加锁测试方法：

通过：strace -tt -f -e trace=futex ./a.out命令执行测试程序，观察是否调用futex系统调用加锁。

• 内存碎片测试

通过：strace -tt -f -e trace=mprotect,brk ./a.out命令执行测试程序，观察是否调用mprotect或者brk进行扩容。

统计程序已使用内存总量，内存泄露总量，计算内存碎片总量：

内存碎片总量=已使用内存总量-内存泄露总量。

测试代码如下：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
#include <time.h>
#include <pthread.h>
#include <stdatomic.h>

#define THREAD_NUM (8) //测试线程数量
#define SIZE_THREHOLD (1024) //申请内存阈值，每次申请的内存大小小于该阈值
#define LEAK_THREHOLD (64) //泄露内存阈值, 0：关闭内存泄露，大于0：每次泄露内存的不超过该阈值

atomic_int leak_size; //内存泄露统计值

int get_size() {
    srand(time(0));
    return rand() % SIZE_THREHOLD;
}

void *do_malloc(void *arg) {
    while(1) {
        int size = get_size();
        //printf("size:%d\n", size);
        char *p = malloc(size);
        if (size >= LEAK_THREHOLD) {
            free(p);
        } else {
            atomic_fetch_add(&leak_size, size); //统计泄露内存大小
            printf("leak size:%d KB\n", leak_size / 1024);
        }
    }
    return NULL;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    atomic_init(&leak_size, 0);

    pthread_t th[THREAD_NUM];
    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_create(&th[i], NULL, do_malloc, NULL);
    }

    do_malloc(NULL);

    for (int i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
        pthread_join(th[i], NULL);
    }

    return 0;
}

2）测试结果

• 频繁加锁测试

通过strace -tt -f -e trace=futex ./a.out命令观察到测试程序频繁的调用futex系统调用，为了保证线程安全，malloc和free函数需要频繁加锁，频繁加锁会影响内存分配的效率。

• 内存碎片测试

1.程序刚启动时，内存泄露总量为1.8MB，此时系统可用内存总量为2724MB。

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2. 程序泄露内存总量至162MB时，此时系统可用内存总量为2474MB。

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用户程序使用内存总量为：2724 - 2474 = 250MB。泄露内存总量为162MB，内存碎片总量为88MB。

通过strace -tt -f -e trace=mprotect,brk ./a.out命令观察到，ptmalloc频繁的通过mprotect或者brk进行扩容。

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3.总结

• malloc和free函数不适用于多线程申请和释放内存使用场景，存在频繁加锁的问题。
• malloc和free函数不适用于长期占用内存的使用场景，长期占用内存会导致内存碎片问题。
• 对并发要求不高的场景可以使用malloc和free函数，高并发场景需要使用更高效的内存池。