【操作系统】一文带你深入理解内存分配

1. 内存分配的核心机制

在 Linux 系统中，内存分配主要通过两种系统调用实现：

1.1 brk() 系统调用

void *brk(void *addr);

• 工作原理：通过移动 program break（程序断点）指针来扩展堆内存
• 特点：
  • 分配连续的内存区域
  • 适合小内存分配（通常 < 128KB）
  • 分配速度快但可能产生内存碎片

1.2 mmap() 系统调用

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

• 工作原理：创建新的内存映射区域
• 特点：
  • 可以分配大块内存（≥ 128KB）
  • 支持文件映射和匿名映射
  • 内存可以独立释放，减少碎片

2. 为什么不能只用一种分配方式？

2.1 性能考量

分配方式	分配速度	适用场景
brk()	快	小内存、高频分配
mmap()	慢	大内存、低频分配

典型测试数据：

• brk() 分配 1000 次 4KB 内存：约 0.2ms
• mmap() 分配 1000 次 4KB 内存：约 5ms

2.2 内存碎片问题

brk() 的碎片问题：

初始状态： [已用][空闲][已用][空闲]
分配后：  [已用][新分配][已用][空闲]
释放后： [已用][空闲][已用][空闲] → 产生碎片

mmap() 的解决方案：

每次分配独立区域：
[映射区1][映射区2][映射区3]
释放时直接归还系统，无碎片

2.3 多线程支持

• brk()：全局堆需要加锁，影响性能
• mmap()：可以为每个线程分配独立区域，避免锁竞争

3. 现代内存分配器的实现策略

以 glibc 的 malloc 为例：

void *malloc(size_t size) {
    if (size < 128KB) {
        // 使用 brk() 分配的堆内存
        return allocate_from_heap(size);
    } else {
        // 使用 mmap() 创建独立映射
        return allocate_via_mmap(size);
    }
}

分配策略：

1. 小内存（<128KB）：使用 brk() 分配的堆
2. 大内存（≥128KB）：使用 mmap()
3. 超大内存（>32MB）：使用特殊处理

4. 全部使用 mmap() 的问题

1. 系统调用开销大：每次分配都需要内核介入
2. TLB 压力：大量映射会导致 TLB 频繁刷新
3. 内存浪费：最小分配单位是页（通常4KB），小内存分配浪费严重

5. 全部使用 brk() 的问题

1. 内存碎片：长期运行后可用内存变少
2. 扩展性差：多线程环境下性能下降
3. 大内存限制：堆区大小有限制（默认约8MB）
   以下是关于 mmap() 为什么不需要加锁的详细解释，通过形象比喻和代码示例展示：

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为什么 mmap() 不需要加锁？

核心区别：brk() vs mmap() 的「工作模式」

分配方式	比喻	锁的需求
brk()	多人共用同一个货架	必须加锁（防抢货）
mmap()	每人分配独立仓库	无需加锁（各用各的）

6. 最佳实践建议

1. 理解应用的内存使用模式
2. 小内存频繁分配：优先使用 brk() 堆
3. 大内存或临时分配：使用 mmap()
4. 特殊场景考虑：
   • 实时系统：预分配所有内存
   • 长期运行服务：定期整理内存

7. 总结

内存分配是系统设计中的重要权衡：

• brk()：适合小内存，速度快但有碎片
• mmap()：适合大内存，灵活但开销大

理解这些底层机制，才能写出更高效的代码！