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malloc 内存分配机制：brk 与 mmap

article 2025/9/11 17:23:15

一、malloc的两种内存分配策略

malloc 并非直接的系统调用，而是C标准库封装的内存管理函数。它根据应用程序请求的内存大小，智能地选择两种不同的底层机制向操作系统申请内存：

小块内存分配 (< 128KB)：brk() / sbrk() 系统调用
- 原理： 操作程序的堆顶指针(program break)。通过 brk() 或 sbrk() 将堆顶向高地址方向移动，扩展堆空间，从而获得一块新的连续内存区域。
- 释放行为： 调用 free() 释放这块内存时，内存通常不会立即归还给操作系统！释放的内存块会被 malloc 的实现（如 ptmalloc, glibc 的分配器）放入其维护的内部空闲内存池（bins） 中。后续的 malloc 请求会优先从这些池子中寻找合适大小的空闲块复用，避免了频繁的系统调用。
- 优点： 对于频繁分配释放的小块内存，复用缓存池效率极高。
- 缺点： 容易在堆内产生内存碎片。大量小内存的分配释放可能导致堆中存在许多小的、不连续的空闲块，虽然总量够用，但无法满足稍大的连续内存请求（外部碎片）。长期运行的程序可能看到堆的“最高水位”不断升高。
大块内存分配 (>= 128KB)：mmap() 系统调用
- 原理： 在进程的内存映射区域（位于堆和栈之间，通常用于加载共享库、文件映射等）开辟空间。采用 MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE 标志，表示分配一块与文件无关、私有的匿名内存。
- 释放行为： 调用 free() 释放这块内存时，内存会通过 munmap() 系统调用立即归还给操作系统。这块虚拟地址空间和对应的物理内存会被真正释放。
- 优点： 大块内存单独管理，释放彻底，避免了大块内存长时间占用堆空间导致的外部碎片问题。
- 缺点： 每次分配和释放都涉及系统调用，开销相对较大；每次分配的虚拟地址在初次访问时都会触发缺页中断（Page Fault）以建立物理映射。

二、为什么不是单一策略？

理解 malloc 混合使用 brk 和 mmap 的动机，是掌握其设计精髓的关键：

为什么不全部使用 mmap？
- 系统调用开销巨大： 每次 mmap 分配都需要从用户态切换到内核态，执行分配逻辑，再切换回用户态。munmap 释放亦然。对于程序中大量、高频的小内存分配（例如几字节到几KB的对象、字符串、结构体），这种开销极其昂贵，会严重拖慢程序性能。
- 缺页中断开销： mmap 新分配的页面处于“未映射”状态。当程序第一次读写该内存时，会触发缺页中断，由内核分配物理页框并建立映射。虽然 brk 扩展的新区域首次访问也需缺页中断，但 mmap 每次分配的新区域都独立，几乎必然触发新的中断，而 brk 扩展的区域可能是连续的。
为什么不全部使用 brk？
- 内存碎片： 想象一下，如果所有内存（包括几百MB的大数组）都从堆里分配。程序频繁地分配、释放不同大小的内存块，尤其是大量小块内存，会导致堆内散布着无数小的、不连续的空闲缝隙。即使总的空闲内存足够，也可能无法找到一块连续的、足够大的空间来满足一次较大的 malloc 请求。这就是外部碎片问题。长期运行的程序可能会因为碎片耗尽可用连续空间而崩溃，即使 free 了很多内存。
- “膨胀”的堆永不收缩： 使用 brk 分配的堆空间，即使 free 了其中的大部分内存，堆顶通常也不会降低（分配器缓存了这些空闲块）。这导致进程的常驻内存集(RSS) 看起来居高不下，可能影响系统整体内存调度和资源监控。

三、使用malloc的注意事项与陷阱

内存泄漏(Memory Leak): 这是最常见也最严重的问题。分配了内存 (malloc), 但忘记释放 (free)，或者释放前丢失了指向该内存的唯一指针。程序不断泄漏，最终耗尽可用内存。务必确保分配与释放成对出现，尤其在分支、循环和错误处理路径中。
内存碎片(Memory Fragmentation): 如前所述，brk 策略容易导致外部碎片，mmap 策略对大内存释放更彻底。对于需要长时间运行、频繁分配释放的程序，碎片管理尤为重要。可以考虑使用对象池、内存池等技术缓解。
野指针(Dangling Pointer):

int *p = (int *)malloc(10 * sizeof(int));
free(p); // p 指向的内存已被释放（可能被系统回收或放入缓存池）
// p 此时是野指针！
*p = 42; // 未定义行为！可能导致崩溃、数据损坏等严重后果。

关键： free(p) 仅释放 p 指向的内存块，并不会改变指针变量 p 本身的值（它仍然指向那块已释放内存的地址）。 安全做法是释放后立即将指针置为 NULL：

free(p);
p = NULL; // 拴住野指针，后续操作NULL指针通常能更快暴露错误（如崩溃）
检查分配成功： malloc 在内存不足时会返回 NULL。永远不要假设 malloc 一定成功！

int *ptr = (int *)malloc(large_size);
if (ptr == NULL) {
    // 处理内存分配失败：记录错误、优雅降级或退出
    perror("malloc failed");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

总结与对比：brk vs mmap

特性	`brk` / `sbrk` (用于 < 128KB)	`mmap` (用于 >= 128KB)
分配区域	堆 (Heap)	内存映射区域 (Memory Mapped Region)
释放行为	缓存到内存池，不立即归还OS	`munmap`, 立即归还OS
主要优点	高效 (缓存复用，减少系统调用/缺页)	避免大块外部碎片，释放彻底
主要缺点	易产生内存碎片，堆可能“膨胀”	开销大 (系统调用、缺页中断)
适用场景	高频、小块内存分配	低频、大块内存分配