malloc 内存分配位置及进程内存布局

进程内存分布

典型的 Linux 进程内存分布图，图片来自这里：

进程内存布局

这张图中有映射段的位置，但是还有一个重要的部分的缺失，就是运行时的参数和环境变量，在 Linux/Unix 系统编程手册这本书第 6 章讲进程的内存分配里有给:

运行参数与环境变量

`malloc` 内存分配在映射段

当 malloc 申请分配的内存过大（128K以上），内部将使用 mmap 而不是 brk 来分配内存。

测试代码：

    printf("program break:%p\n", sbrk(0));

    char* ptr[10];
    for(int i = 0; i < 10; ++i)
    {
        ptr[i] = (char* )malloc(200 * 1024);
        printf("malloc:%p program_break_%d:%p\n", ptr[i], i, sbrk(0));
    }

    printf("stack:%p %p\n", &ptr, ptr);

    while(1)
    {
        sleep(3);
    }

输出如下图：

内存分配地址

显而易见的几点：

程序 program break 的位置没变，说明分配的内存不在堆上；而且 malloc 分配的地址与 program break 的地址差异巨大，应该在不同的区。
不在堆上，而且离栈相对较近，且此时 malloc 分配的内存在栈的下方。

查看 /proc/pid/maps 目录下，获取动态库的映射地址。

映射段

关于 maps 里同一个动态库映射多次的原因的解释看这里。

用 python 快速的给分配出的内存地址和这里的 maps 的动态库地址作个排序：

a = [
('0x7f423e4ad000', "/usr/lib64/libc-2.28.so"),
('0x7f423e666000', "/usr/lib64/libc-2.28.so"),
('0x7f423e865000', "/usr/lib64/libc-2.28.so"),
('0x7f423e869000', "/usr/lib64/libc-2.28.so"),
('0x7f423e86f000', "/usr/lib64/ld-2.28.so"),
('0x7f423ea97000', "/usr/lib64/ld-2.28.so"),
('0x7f423ea98000', "/usr/lib64/ld-2.28.so")] #动态库的地址


b = [
('0x7f423ea4c010', "program_break_0:0x2482000"),
('0x7f423ea19010', "program_break_1:0x2482000"),
('0x7f423e9e6010', "program_break_2:0x2482000"),
('0x7f423e9b3010', "program_break_3:0x2482000"),
('0x7f423e980010', "program_break_4:0x2482000"),
('0x7f423e94d010', "program_break_5:0x2482000"),
('0x7f423e91a010', "program_break_6:0x2482000"),
('0x7f423e8e7010', "program_break_7:0x2482000"),
('0x7f423e8b4010', "program_break_8:0x2482000"),
('0x7f423e47a010', "program_break_9:0x2482000")] #malloc 内存分配的地址

c = a + b
c.sort(key = lambda x : int(x[0], base = 16))

地址升序排列：

地址升序

可以看到 malloc 分配的内存区域与动态库的地址是交织在一起的。Linux/Unix 系统编程手册 49.7 章节有描述：

glibc 中的 malloc()实现使用 MAP_PRIVATE 匿名映射来分配大小大于 MMAP_
THRESHOLD 字节的内存块；MMAP_THRESHOLD 在默认情况下是 128 kB

符合这里分配 200k 时，直接将内存分配在动态区。

malloc 内存分配在堆上

如果分配的内存是100k(100 * 1024)，程序的输出如下，可以看到 program break 的位置有变化，说明是在堆上分配的内存。

program break:0x663000
malloc:0x642900 program_break_0:0x663000
malloc:0x65b910 program_break_1:0x695000
malloc:0x674920 program_break_2:0x695000
malloc:0x68d930 program_break_3:0x6c7000
malloc:0x6a6940 program_break_4:0x6c7000
malloc:0x6bf950 program_break_5:0x6f9000
malloc:0x6d8960 program_break_6:0x6f9000
malloc:0x6f1970 program_break_7:0x72b000
malloc:0x70a980 program_break_8:0x72b000
malloc:0x723990 program_break_9:0x75d000
stack:0x7fff79915ac0 0x7fff79915ac0

两次分配内存之间的地址差值是 102416（0x65b910 - 0x642900 = 102416 = 100k + 16），100k 返回给 malloc 的调用者，多余的 16 字节用来保存长度相关信息。

总结

当调用者请求的内存超过临界值，malloc 分配的内存是进程的映射区，和动态库的内存占用相同区域；小于临界值时，分配的内存才是在堆上。
当malloc内存分配在堆上时，实际会多分配几个字节（位于实际返回给调用者的地址之前），用来记录分配的内存的长度；这样 free 才能正确的释放内存。
即便返回的内存是在堆上，malloc 也可能并未调用 brk 来改变program break 的位置：其一是因为program break下边本来就有部分未使用的空闲内存（malloc 调用 brk 会超额分配内存，多余的至于堆顶）；其二在于 free 所释放的内存保存在空闲内存列表里，malloc 会首先检查这个列表中是否有合适的内存块（2种策略 first-fit 和 best-fit），之后才会去调用 brk 分配更多的堆内存。