一文详解Linux C++内存管理.pdfVIP

在互联网的服务中，C++常用于搭建高性能、高并发、大流量、低延时的后

端服务。如何合理的分配内存满足系统高性能需求是一个高频且重要的话题，

而且因为内存自身的特点和实际问题的复杂，组合出了诸多难题。

我们可以对内存进行多种类型的划分，从内存申请大小来看：

小对象分配：小于4倍内存页大小的内存分配，在4KiB页大小情况下，

16KiB算作小对象分配；

大对象分配：大于等于4倍内存页大小的内存分配，在4KiB页大小情况

下，=16KiB算作大对象分配。

从一块内存的被持有时长来看：

后端一次请求内甚至更短时间申请和释放

任意时间窗口内内存持有和更新

几乎与应用进程等长的内存持有和更新

某个进程消亡后一段时间内，由该进程申请的仍具有意义的内存持有和释

放

当然还可以按照内存申请释放频率、读写频率进行进一步的分类。

内存管理服务于应用系统，目的是协助系统更好的解决瓶颈问题，比如对

于『如何降低后端响应的延迟和提高稳定性』内存管理可能要考虑的是：

处理内存读写并发（读频繁or写频繁）降低响应时间和CPU消耗

应用层的内存的池化复用

底层内存向系统申请的内存块大小及内存碎片化

每一个问题展开可能都是一个比较大的话题，本文介绍LinuxC++程序内

存管理的理论基础。了解内存分配器原理，更有助于工程师在实践中降低处理

内存使用问题的成本，根据系统量身打造应用层的内存管理体系。

一、Linux内存管理

GEEKTALK

Linux自底向上大致可以被划分为：

硬件(PhysicalHardware)

内核层(KernelSpace)

用户层(UserSpace)

△图1：Linux结构

内核模块在内核空间中运行，应用程序在用户空间中运行，二者的内存地

址空间不重叠。这种方法确保在用户空间中运行的应用程序具有一致的硬件视

图，而与硬件平台无关。用户空间通过使用系统调用以可控的方式使内核服

务，如：陷入内核态，处理缺页中断。

Linux的内存管理系统自底向上大致可以被划分为：

内核层内存管理:在Linux内核中,通过内存分配函数管理内存：

kmalloc()/__get_free_pages()：申请较小内存（kmalloc()以字节为单

位，__get_free_pages()以一页128K为单位），申请的内存位于物理内存的映

射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏

移。

vmalloc()：申请较大内存，虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但不保

证物理内存连续，开销远大于__get_free_pages()，需要建立新的页表。

用户层内存管理：通过调用系统调用函数（brk、mmap等），实现常用的

内存管理接口（malloc,free,realloc,calloc）管理内存；经典内存管理库

ptmalloc2、tcmalloc、jemalloc。

应用程序通过内存管理库或直接调用系统内存管理函数分配内存，根据应

用程序本身的程序特性进行使用，如：单个变量内存申请和释放、内存池化复

用等。

至此单个进程可以使用Linux提供的内存划分顺利的运行，从用户程序来

看Linux进程的内存模型大致如下所示：

△图2：Linux进程的内存模型

栈区(Stack)：存储程序执行期间的本地变量和函数的参数，从高地址向低

地址生长

堆区(Heap):动态内存分配区域，通过malloc、new、free和delete等函

数管理

在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这些函数的底层

是基于brk/mmap这些系统调用实现的，对照图2来看：

brk():用于申请和释放小内存。数据段的末尾，堆内存的开始，叫做

brk(programbreak)。通过