1. 進程虛擬空間
進程虛擬空間如下圖：
如上圖示：最高的1G空間保留給內核使用。接下來是棧，棧向低地址方向延伸(棧的大小受RLIMIT_STACK限制，默認爲8M)，下面是MMAP區(文件映射內存，如動態庫等，SPP微線程的私有棧也位於這裏)，下面是堆(動態內存增長)，堆向高地址方向延伸，接下來依次是BSS、數據段、代碼段。
2. Linux下動態內存分配實現機制
C、C++的動態內存分配、管理都是基於malloc和free的，動態內存即虛擬空間堆區。另外多說一句，malloc和free操作的也是虛擬地址空間。
malloc，動態內存分配函數。是通過brk(sbrk)和mmap這兩個系統調用實現的。
結合上文進程虛擬空間圖，brk(sbrk)是將數據段(.data)的最高地址指針_edata往高地址推。mmap是在進程的虛擬地址空間中（堆和棧中間，稱爲文件映射區域的地方）找一塊空閒的虛擬內存。這兩種實現方式的區別大致如下：
brk(sbrk)，性能損耗少; mmap相對而言，性能損耗大
mmap不存在內存碎片(是物理頁對齊的，整頁映射和釋放); brk(sbrk)可能存在內存碎片(由於new和delete的順序不同，可能存在空洞，又稱爲碎片)
無論是通過brk(sbrk)還是mmap調用分配的內存都是虛擬空間的內存，只有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，操作系統負責分配物理內存，然後建立虛擬內存和物理內存之間的映射關係。
delete，動態內存釋放函數。如果是brk(sbrk)分配的內存，直接調用brk(sbrk)並傳入負數，即可縮小Heap區的大小；如果是mmap分配的內存，調用munmap歸還內存。無論這兩種那種處理方式，都會立即縮減進程虛擬地址空間，並歸還未使用的物理內存給操作系統。
brk(sbrk)和mmap都是系統調用，如果程序中頻繁的進行內存的擴張和收縮，每次都直接調用，當然可以實現內存精確管理的目的，但是隨之而來的性能損耗也很顯著。目前大多數運行庫(glibc)等都對內存管理做了一層封裝，避免每次直接調用系統調用影響性能。如此，就涉及到運行庫的內存分配的算法問題了。
在標準C庫中，提供了malloc/free函數分配釋放內存，這兩個函數底層是由brk，mmap，munmap這些系統調用實現的。
3.缺頁中斷
如何查看進程發生缺頁中斷的次數？
用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。
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進程自啓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？
當一個進程發生缺頁中斷的時候，進程會陷入內核態，執行以下操作：
1、檢查要訪問的虛擬地址是否合法
2、查找/分配一個物理頁
3、填充物理頁內容（讀取磁盤，或者直接置0，或者啥也不幹）
4、建立映射關係（虛擬地址到物理地址）
重新執行發生缺頁中斷的那條指令
如果第3步，需要讀取磁盤，那麼這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。
查看物理內存頁使用情況：cat /proc/$PID/smaps，裏面詳細記錄了該進程使用的物理頁內存情況，如Private_Dirty、Private_Clean等
mmap系統調用：讀寫MMAP映射區，相當於讀寫被映射的文件。本意是將文件當作內存一樣讀寫。相比Read、Write，減少了內存拷貝(Read、Write一個硬盤文件，需要先將數據從內核緩衝區拷貝到應用緩衝區(read)，然後再將數據從應用緩衝區拷貝回內核緩衝區(write)。mmap直接將數據從內核緩衝區映拷貝到另一個內核緩衝區)，但是被修改的數據從MMAP區同步到磁盤文件上，依賴於系統的頁管理算法，默認會慢條斯理得將內容寫到磁盤上。另外提供了msync強制同步到磁盤上。
4.Glibc內存分配算法
glibc的內存分配算法，是基於dlmalloc實現的ptmalloc，dlmalloc詳細可以參考A Memory Allocator或者Glibc內存分配器。這裏主要講下和內存歸還策略相關的，其他內容不做過多擴展。
整體來說，glibc採用的是dlmalloc。爲了避免頻繁調用系統調用，它內部維護了一個內存池，方便reuse，又稱爲free-list或bins，如下圖示
所有調用delete釋放的內存，並不是立即調用brk(sbrk)歸還給操作系統，而是先將這個內存塊掛在free-list(bins)裏面，然後進行內存歸併(可選操作，相鄰的可用內存塊合併爲更大的可用內存塊)，並檢查是否達到malloc_trim的threshhold，如果達到了，則調用malloc_trim歸還部分可用內存給操作系統。
glibc中，設置了默認進行malloc_trim的threshhold爲128K，也就是說當dlmalloc管理的內存池中最大可用內存>128K時，就會執行malloc_trim操作，歸還部分內存給操作系統；而在可用內存<=128K時，及時程序中delete了這部分內存，這些內存也是不會歸還給操作系統的。表現爲：調用delete之後，進程佔用的內存並沒有減少。
另外，部分glibc的默認設置如下：
DEFAULT_MXFAST 64 (for 32bit), 128 (for 64bit) // free-list(fastbin)最大內存塊 DEFAULT_TRIM_THRESHOLD 128 * 1024 // malloc_trim的門檻值 128k DEFAULT_TOP_PAD 0 DEFAULT_MMAP_THRESHOLD 128 * 1024 // 使用mmap分配內存的門檻值 128k DEFAULT_MMAP_MAX 65536 // mmap的最大數量
這些參數都可以通過mallopt進行調整。
malloc_trim(0)可以立即執行trim操作，將內存還給操作系統。
具體fastbin相關的內容，此處不做介紹，前期有很多基於fastbin的堆溢出攻擊，感興趣的同學可以google關鍵字fastbin搜索下。
5.考慮其他開源庫的解決方案
glibc大內存是128k，可以使用tcmalloc或者jemalloc來進行內存管理
tcmalloc是Google開源的一個內存管理庫
小對象（<=32K），大對象4k
jemalloc是facebook推出的
Small: [8], [16, 32, 48, …, 128], [192, 256, 320, …, 512], [768, 1024, 1280, …, 3840]
Large: [4 KiB, 8 KiB, 12 KiB, …, 4072 KiB]
Huge: [4 MiB, 8 MiB, 12 MiB, …]
6.參考資料
- A Memory Allocator(dlmalloc, glibc)
- Free/Delete Not Returning Memory To OS?
- Does calling free or delete ever release memory back to the “system”
- How is malloc() implemented internally? [duplicate]
- How do malloc() and free() work?
- 淺析Linux堆溢出之fastbin
- Unix環境高級編程
- 內存分配的原理__進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共享內存）