Linux性能学习（2.2）：内存_进程线程内存分配机制探究

参考资料：
1. 嵌入式软件开发杂谈（3）：Linux下内存与虚拟内存
2. 嵌入式软件开发杂谈（1）：Linux下最大能创建多少线程？

在链接1中，我们可以了解到系统为每一个进程分配了4GB的虚拟内存空间，其中3GB为用户空间，是每个进程独有的，1GB为内核空间，所有的进程以及内核共同享有。

在链接2中，我们了解到系统为每个线程分配独立的堆栈，不同的系统有不同的大小，在32位linux系统上默认为8MB。

在上篇文章中介绍了系统以及进程相关的内存指标，但是有个疑问，当进程运行时候，系统是如何来分配内存的，是直接分配3GB给到内存，还是按需分配，最大3GB，通过下面代码来探究一番。

PS:下面测试环境为Ubuntu 64位系统。

1 进程内存分配探究

1.1 代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>int main()
{int ch = 0;int s32Size = 1024;char* s8Ptr = NULL;int s32Cnt = 0;while ((ch = getchar()) != EOF){printf("get char,malloc %d mem\n", s32Size);s8Ptr = NULL;s8Ptr = (char*)malloc(s32Size);if (NULL == s8Ptr){printf("malloc err\n");}else{printf("malloc success, cnt:%d, addr:%p\n", ++s32Cnt, s8Ptr);}}return 0;
}

上面代码，每当我们在终端输入一个字符，程序就申请1KB的内存，并且打印申请内存的地址。

1.2 试验过程

我们知道，堆是负责动态内存的分配，因此可以通过 # cat /proc/$(pid)/maps | grep heap
来查看进程的内存分配情况。

运行程序，然后使用top查看虚拟内存的使用情况以及使用上面指令来查看堆的使用情况。

# cat /proc/11031/maps | grep heap
00ae2000-00b03000 rw-p 00000000 00:00 0 

从上面可以可以看到这个进程的虚拟内存使用量为4352KiB，堆的地址为00ae2000-00b03000，换算一下堆的大小为132KB。但是此时程序并没有申请内存，怎么回事？

我们第一次申请内存，打印如下:

get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:1, addr:0xae2830

然后查看虚拟内存VIRT使用量，还是4352KiB，并没有增加，堆的使用地址还是00ae2000-00b03000，也没有改变。

继续申请内存：

get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:2, addr:0xae2c40
get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:3, addr:0xae3050

第二次和第三次申请内存，VIRT和堆的信息仍然维持原状，没有改变，继续申请：

get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:128, addr:0xb02c20

直到第128次申请内存时候，VIRT的使用量为4484KiB，比4352增加了132KB，而堆的使用量为264KB，比上次增加了132KB，信息如下：

cat /proc/11031/maps | grep heap
00ae2000-00b24000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

继续申请内存，直到第258次申请内存，VIRT变为4616K，比4484增加了132KB，而堆的使用量为396KB，比上次增加了132KB，信息如下：

get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:258, addr:0xb23c40

# cat /proc/11031/maps | grep heap
00ae2000-00b45000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

从上面的测试中，我们看到第二次申请内存的地址为0xae2c40，而第一次申请内存的地址为0xae2830，两者相减，为1040，但是我们只申请了1024个字节，为什么会多16个字节？
第一个问题：为什么系统分配的内存比实际申请的内存大16个字节？

然后，我们可以看到，当程序运行时候，系统已经先为程序分配了132KB的内存，在随后我们申请内存时候，一直使用的是系统预先申请的132KB内存，直到我们申请的内存超过132KB，然后系统再次申请132KB，而不是我们需要多少就申请多少？
第二个问题：为什么系统会给进程申请132KB的内存，而不是我们真正需要的内存？

2 线程内存分配探究

2.1 代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/prctl.h>void *fun(void *arg)
{printf("----->thread_test\n");prctl(PR_SET_NAME, "thread_test");int ch = 0;int s32Size = 1024;char* s8Ptr = NULL;int s32Cnt = 0;while ((ch = getchar()) != EOF){printf("get char,malloc %d mem\n", s32Size);s8Ptr = NULL;s8Ptr = (char*)malloc(s32Size);if (NULL == s8Ptr){printf("malloc err\n");}else{printf("malloc success, cnt:%d, addr:%p\n", ++s32Cnt, s8Ptr);}}
}int main()
{int s32Ret = 0;pthread_t thread;if (getchar() != EOF){s32Ret = pthread_create(&thread, NULL, fun, NULL);		printf("pthread_create, ret:%d\n", s32Ret);}while(1) sleep(10);return 0;
}

上面代码，当我们第一次输入一个字符，则创建线程，随后再次输入字符则是分配内存

2.2 试验过程

运行程序，查看VIRT为6520KB，如下：

maps信息如下：

然后我们创建线程，查看VIRT和maps信息如下：

可以看到，VIRT由6520增加到14716，即增加了8MB，这个8MB是系统为每个线程创建时分配的。
然后开始第一次分配内存，VIRT和maps信息如下：

可以看到，当我们第一次申请内存的时候，VIRT由14716增加到80252，即系统为线程申请了64MB内存，而不是给进程分配的132KB内存。
第三个问题：为什么系统会给线程申请64MB的内存，而不是我们真正需要的内存？

开始第二次申请内存，VIRT和maps数据均没有变化，和进程中的分配机制一样，先从已经分配的内存中使用，当超过已经分配的内存时，才会重新分配新的内存。

get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:1, addr:0x7f9bac0008c0get char,malloc 1024 mem
malloc success, cnt:2, addr:0x7f9bac000cd0

上面是程序的打印信息，可以看到我们申请了1024字节的内存，但是系统还是分配了1040个字节的内存，即多分配了16字节的内存，和问题1一致。

3 总结

通过上面的测试，我们得出了三个问题：

• 第一个问题：64位系统，为什么系统分配的内存比实际申请的内存大16个字节？
• 第二个问题：64位系统，为什么系统会给进程申请132KB的内存，而不是我们真正需要的内存？
• 第三个问题：64位系统，为什么系统会给线程申请64MB的内存，而不是我们真正需要的内存？

后面章节将解决这几个问题。