转，malloc 和 free 实质 （很是透彻)

内存分配的原理__进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。  

如何查看进程发生缺页中断的次数？

         用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。

          majflt表明major fault，中文名叫大错误，minflt表明minor fault，中文名叫小错误。

          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。

发成缺页中断后，执行了那些操做？

当一个进程发生缺页中断的时候，进程会陷入内核态，执行如下操做： 
一、检查要访问的虚拟地址是否合法 
二、查找/分配一个物理页 
三、填充物理页内容（读取磁盘，或者直接置0，或者啥也不干） 
四、创建映射关系（虚拟地址到物理地址） 
从新执行发生缺页中断的那条指令 
若是第3步，须要读取磁盘，那么此次缺页中断就是majflt，不然就是minflt。 

内存分配的原理

从操做系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

一、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；

二、mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存。

     这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操做系统负责分配物理内存，而后创建虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的。

下面以一个例子来讲明内存分配的原理：

状况1、malloc小于128k的内存，使用brk分配内存，将_edata往高地址推(只分配虚拟空间，不对应物理内存(所以没有初始化)，第一次读/写数据时，引发内核缺页中断，内核才分配对应的物理内存，而后虚拟地址空间创建映射关系)，以下图：

 

 

一、进程启动的时候，其（虚拟）内存空间的初始布局如图1所示。

      其中，mmap内存映射文件是在堆和栈的中间（例如libc-2.2.93.so，其它数据文件等），为了简单起见， 省略了内存映射文件。

      _edata指针（glibc里面定义）指向数据段的最高地址。 
二、进程调用A=malloc(30K)之后，内存空间如图2：

      malloc函数会调用brk系统调用，将_edata指针往高地址推30K，就完成虚拟内存分配。

      你可能会问： 只要把_edata+30K就完成内存分配了？

      事实是这样的，_edata+30K只是完成虚拟地址的分配， A这块内存如今仍是没有物理页与之对应的， 等到进程第一次读写A这块内存的时候，发生缺页中断，这个时候，内核才分配A这块内存对应的物理页。 也就是说，若是用malloc分配了A这块内容，而后历来不访问它，那么，A对应的物理页是不会被分配的。 
三、进程调用B=malloc(40K)之后，内存空间如图3。

状况2、malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存，并且初始化为0)，以下图：

 

四、进程调用C=malloc(200K)之后，内存空间如图4：

      默认状况下，malloc函数分配内存，若是请求内存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节），那就不是去推_edata指针了，而是利用mmap系统调用，从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。

      这样子作主要是由于::

      brk分配的内存须要等到高地址内存释放之后才能释放（例如，在B释放以前，A是不可能释放的，这就是内存碎片产生的缘由，何时紧缩看下面），而mmap分配的内存能够单独释放。

      固然，还有其它的好处，也有坏处，再具体下去，有兴趣的同窗能够去看glibc里面malloc的代码了。 
五、进程调用D=malloc(100K)之后，内存空间如图5；
六、进程调用free(C)之后，C对应的虚拟内存和物理内存一块儿释放。

七、进程调用free(B)之后，如图7所示：

        B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，由于只有一个_edata指针，若是往回推，那么D这块内存怎么办呢？

固然，B这块内存，是能够重用的，若是这个时候再来一个40K的请求，那么malloc极可能就把B这块内存返回回去了。 
八、进程调用free(D)之后，如图8所示：

        B和D链接起来，变成一块140K的空闲内存。

九、默认状况下：

       当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操做（trim）。在上一个步骤free的时候，发现最高地址空闲内存超过128K，因而内存紧缩，变成图9所示。