【Linux應用開發】malloc記憶體分配原理
如何檢視程序發生缺頁中斷的次數？
用ps -o majflt,minflt -C program命令檢視。
majflt代表major fault，中文名叫大錯誤，minflt代表minor fault，中文名叫小錯誤。
這兩個數值表示一個程序自啟動以來所發生的缺頁中斷的次數。
發成缺頁中斷後，執行了那些操作？
當一個程序發生缺頁中斷的時候，程序會陷入核心態，執行以下操作：
1、檢查要訪問的虛擬地址是否合法
2、查詢/分配一個物理頁
3、填充物理頁內容（讀取磁碟，或者直接置0，或者啥也不幹）
4、建立對映關係（虛擬地址到實體地址）
如果第3步，需要讀取磁碟，那麼這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。
從作業系統角度來看，程序分配記憶體有兩種方式，分別由兩個系統呼叫完成：brk和mmap（不考慮共享記憶體）。
1、brk是將資料段(.data)的最高地址指標_edata往高地址推；
2、mmap是在程序的虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱為檔案對映區域的地方）找一塊空閒的虛擬記憶體。
這兩種方式分配的都是虛擬記憶體，沒有分配實體記憶體。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，作業系統負責分配實體記憶體，然後建立虛擬記憶體和實體記憶體之間的對映關係。上面兩種都是在glibc（應用層）中實現的，改變的都是應用層中堆的大小。
在標準C庫中，提供了malloc/free函式分配釋放記憶體，而這兩個函式底層是由brk，mmap，munmap這些系統呼叫實現的。核心中沒有上面這些概念，後面會提到。
下面以一個例子來說明記憶體分配的原理：
情況一、malloc小於128k的記憶體，使用brk分配記憶體，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應實體記憶體(因此沒有初始化)，第一次讀/寫資料時，引起核心缺頁中斷，核心才分配對應的實體記憶體，然後虛擬地址空間建立對映關係)，如下圖：
1、程序啟動的時候，其（虛擬）記憶體空間的初始佈局如圖1所示。
其中，mmap記憶體對映檔案是在堆和棧的中間（例如libc-2.2.93.so，其它資料檔案等），為了簡單起見，2、程序呼叫A=malloc(30K)以後，記憶體空間如圖2： malloc函式會呼叫brk系統呼叫，將_edata指標往高地址推30K，就完成虛擬記憶體分配。 你可能會問：只要把_edata+30K就完成記憶體分配了？ 事實是這樣的，_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊記憶體現在還是沒有物理頁與之對應的，等到程序第一次讀寫A這塊記憶體的時候，發生缺頁中斷，這個時候，核心才分配A這塊記憶體對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內容，然後從來不訪問它，那麼，A對應的物理頁是不會被分配的。
3、程序呼叫B=malloc(40K)以後，記憶體空間如圖3。
情況二、malloc大於128k的記憶體，使用mmap分配記憶體，在堆和棧之間找一塊空閒記憶體分配(對應獨立記憶體，而且初始化為0)，如下圖：
5、程序呼叫D=malloc(100K)以後，記憶體空間如圖5；
6、程序呼叫free(C)以後，C對應的虛擬記憶體和實體記憶體一起釋放。 7、程序呼叫free(B)以後，如圖7所示： B對應的虛擬記憶體和實體記憶體都沒有釋放，因為只有一個_edata指標，如果往回推，那麼D這塊記憶體怎麼辦呢？ 當然，B這塊記憶體，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那麼malloc很可能就把B這塊記憶體返回回去了。
8、程序呼叫free(D)以後，如圖8所示： B和D連線起來，變成一塊140K的空閒記憶體。 9、預設情況下： 當最高地址空間的空閒記憶體超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）時，執行記憶體緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發現最高地址空閒記憶體超過128K，於是記憶體緊縮，變成圖9所示。
