Linux內存使用方法詳細解析
我是一名程序員，那麽我在這裏以一個程序員的角度來講解Linux內存的使用。
一提到內存管理，我們頭腦中閃出的兩個概念，就是虛擬內存，與物理內存。這兩個概念主要來自於linux內核的支持。
Linux在內存管理上份為兩級，一級是線性區，類似於00c73000-00c88000，對應於虛擬內存，它實際上不占用實際物理內存；一級是具體的物理頁面，它對應我們機器上的物理內存。
這裏要提到一個很重要的概念，內存的延遲分配。Linux內核在用戶申請內存的時候，只是給它分配了一個線性區（也就是虛存），並沒有分配實際物理內存；只有當用戶使用這塊內存的時候，內核才會分配具體的物理頁面給用戶，這時候才占用寶貴的物理內存。內核釋放物理頁面是通過釋放線性區，找到其所對應的物理頁面，將其全部釋放的過程
char *p=malloc(2048) //這裏只是分配了虛擬內存2048，並不占用實際內存。
strcpy(p,”123”) //分配了物理頁面，雖然只是使用了3個字節，但內存還是為它分配了2048字節的物理內存。
free(p) //通過虛擬地址，找到其所對應的物理頁面，釋放物理頁面，釋放線性區。
我們知道用戶的進程和內核是運行在不同的級別，進程與內核之間的通訊是通過系統調用來完成的。進程在申請和釋放內存，主要通過brk,sbrk,mmap,unmmap這幾個系統調用（都是虛擬內存），傳遞的參數主要是對應的虛擬內存。
註意一點，在進程只能訪問虛擬內存，它實際上是看不到內核物理內存的使用，這對於進程是完全透明的
glibc內存管理器
那麽我們每次調用malloc來分配一塊內存，都進行相應的系統調用呢？
答案是否定的，這裏我要引入一個新的概念，glibc的內存管理器。
我們知道malloc和free等函數都是包含在glibc庫裏面的庫函數，我們試想一下，每做一次內存操作，都要調用系統調用的話，那麽程序將多麽的低效。
實際上glibc采用了一種批發和零售的方式來管理內存。glibc每次通過系統調用的方式申請一大塊內存（虛擬內存），當進程申請內存時，glibc就從自己獲得的內存中取出一塊給進程。
glibc對於heap內存申請大於128k的內存申請，glibc采用mmap的方式向內核申請內存，也就是此時的malloc是由mmap來實現的，這不能保證內存地址向上增長；小於128k的則采用brk，malloc調用系統調用brk來實現向內核批發虛擬內存，對於它來講是正確的。128k的閥值，可以通過glibc的庫函數進行設置。
內存管理器面臨的困難
我們在寫程序的時候，每次申請的內存塊大小不規律，而且存在頻繁的申請和釋放，這樣不可避免的就會產生內存碎塊。而內存碎塊，直接會導致大塊內存申請無法滿足，從而更多的占用系統資源；如果進行碎塊整理的話，又會增加cpu的負荷，很多都是互相矛盾的指標，這裏我就不細說了。
我們在寫程序時，涉及內存時，有兩個概念heap和stack。傳統的說法stack的內存地址是向下增長的，heap的內存地址是向上增長的。
函數malloc和free，主要是針對heap進行操作，由程序員自主控制內存的訪問。
在這裏heap的內存地址向上增長，這句話不完全正確。
glibc對於heap內存申請大於128k的內存申請，glibc采用mmap的方式向內核申請內存，這不能保證內存地址向上增長；小於128k的則采用brk，對於它來講是正確的。128k的閥值，可以通過glibc的庫函數進行設置。
這裏我先講大塊內存的申請，也即對應於mmap系統調用。
對於大塊內存申請，glibc直接使用mmap系統調用為其劃分出另一塊虛擬地址，供進程單獨使用；在該塊內存釋放時，使用unmmap系統調用將這塊內存釋放，這個過程中間不會產生內存碎塊等問題。
針對小塊內存的申請，在程序啟動之後，進程會獲得一個heap底端的地址，進程每次進行內存申請時，glibc會將堆頂向上增長來擴展內存空間，也就是我們所說的堆地址向上增長。在對這些小塊內存進行操作時，便會產生內存碎塊的問題。實際上brk和sbrk系統調用，就是調整heap頂地址指針。
那麽heap堆的內存是什麽時候釋放呢？
當glibc發現堆頂有連續的128k的空間是空閑的時候，它就會通過brk或sbrk系統調用，來調整heap頂的位置，將占用的內存返回給系統。這時，內核會通過刪除相應的線性區，來釋放占用的物理內存。
下面我要講一個內存空洞的問題：
一個場景，堆頂有一塊正在使用的內存，而下面有很大的連續內存已經被釋放掉了，那麽這塊內存是否能夠被釋放？其對應的物理內存是否能夠被釋放？
很遺憾，不能。
這也就是說，只要堆頂的部分申請內存還在占用，我在下面釋放的內存再多，都不會被返回到系統中，仍然占用著物理內存。為什麽會這樣呢？
這主要是與內核在處理堆的時候，過於簡單，它只能通過調整堆頂指針的方式來調整調整程序占用的線性區；而又只能通過調整線性區的方式，來釋放內存。所以只要堆頂不減小，占用的內存就不會釋放。
提一個問題：
char *p=malloc(2);
free(p)
為什麽申請內存的時候，需要兩個參數，一個是內存大小，一個是返回的指針；而釋放內存的時候，卻只要內存的指針呢？
這主要是和glibc的內存管理機制有關。glibc中，為每一塊內存維護了一個chunk的結構。glibc在分配內存時，glibc先填寫chunk結構中內存塊的大小，然後是分配給進程的內存。
chunk ------size
p------------ content
在進程釋放內存時，只要 指針-4 便可以找到該塊內存的大小，從而釋放掉。
註：glibc在做內存申請時，最少分配16個字節，以便能夠維護chunk結構。
glibc提供的調試工具：
為了方便調試，glibc 為用戶提供了 malloc 等等函數的鉤子（hook），如 __malloc_hook
對應的是一個函數指針，
void *function (size_t size, const void *caller);
其中 caller 是調用 malloc 返回值的接受者（一個指針的地址）。另外有 __malloc_initialize_hook函數指針，僅僅會調用一次（第一次分配動態內存時）。（malloc.h）
一些使用 malloc 的統計量（SVID 擴展）可以用 struct mallinfo 儲存，可調用獲得。
struct mallinfo mallinfo (void);
如何檢測 memory leakage？glibc 提供了一個函數
void mtrace (void)及其反作用void muntrace (void)
這時會依賴於一個環境變量 MALLOC_TRACE 所指的文件，把一些信息記錄在該文件中
用於偵測 memory leakage，其本質是安裝了前面提到的 hook。一般將這些函數用
#ifdef DEBUGGING 包裹以便在非調試態下減少開銷。產生的文件據說不建議自己去讀，
而使用 mtrace 程序（perl 腳本來進行分析）。下面用一個簡單的例子說明這個過程，這是
源程序：
#include
#include
#include
intmain( int argc, char *argv[] )
{
int *p, *q ;
#ifdef DEBUGGING
mtrace( ) ;
#endif
p = malloc( sizeof( int ) ) ;
q = malloc( sizeof( int ) ) ;
printf( "p = %p\nq = %p\n", p, q ) ;
*p = 1 ;
*q = 2 ;
free( p ) ;
return 0 ;
}
很簡單的程序，其中 q 沒有被釋放。我們設置了環境變量後並且 touch 出該文件
執行結果如下：
p = 0x98c0378q = 0x98c0388
該文件內容如下
= Start
@./test30:[0x8048446] + 0x98c0378 0x4
@./test30:[0x8048455] + 0x98c0388 0x4
@./test30:[0x804848f] - 0x98c0378
到這裏我基本上講完了，我們寫程序時，數據部分內存使用的問題。
代碼占用的內存
數據部分占用內存，那麽我們寫的程序是不是也占用內存呢？
在linux中，程序的加載，涉及到兩個工具，linker 和loader。Linker主要涉及動態鏈接庫的使用，loader主要涉及軟件的加載。
- exec執行一個程序
- elf為現在非常流行的可執行文件的格式，它為程序運行劃分了兩個段，一個段是可以執行的代碼段，它是只讀，可執行；另一個段是數據段，它是可讀寫，不能執行。
- loader會啟動，通過mmap系統調用，將代碼端和數據段映射到內存中，其實也就是為其分配了虛擬內存，註意這時候，還不占用物理內存；只有程序執行到了相應的地方，內核才會為其分配物理內存。
- loader會去查找該程序依賴的鏈接庫，首先看該鏈接庫是否被映射進內存中，如果沒有使用mmap，將代碼段與數據段映射到內存中，否則只是將其加入進程的地址空間。這樣比如glibc等庫的內存地址空間是完全一樣。
因此一個2M的程序，執行時，並不意味著為其分配了2M的物理內存，這與其運行了的代碼量，與其所依賴的動態鏈接庫有關。
運行過程中鏈接動態鏈接庫與編譯過程中鏈接動態庫的區別
我們調用動態鏈接庫有兩種方法：一種是編譯的時候，指明所依賴的動態鏈接庫，這樣loader可以在程序啟動的時候，來所有的動態鏈接映射到內存中；一種是在運行過程中，通過dlopen和dlfree的方式加載動態鏈接庫，動態將動態鏈接庫加載到內存中。
這兩種方式，從編程角度來講，第一種是最方便的，效率上影響也不大，在內存使用上有些差別。
第一種方式，一個庫的代碼，只要運行過一次，便會占用物理內存，之後即使再也不使用，也會占用物理內存，直到進程的終止。
第二中方式，庫代碼占用的內存，可以通過dlfree的方式，釋放掉，返回給物理內存。
這個差別主要對於那些壽命很長，但又會偶爾調用各種庫的進程有關。如果是這類進程，建議采用第二種方式調用動態鏈接庫。
占用內存的測量
測量一個進程占用了多少內存，linux為我們提供了一個很方便的方法，/proc目錄為我們提供了所有的信息，實際上top等工具也通過這裏來獲取相應的信息。
/proc/meminfo 機器的內存使用信息
/proc/pid/maps pid為進程號，顯示當前進程所占用的虛擬地址。
/proc/pid/statm 進程所占用的內存
[root@localhost ~]# cat /proc/self/statm
654 57 44 0 0 334 0
輸出解釋
CPU 以及CPU0。。。的每行的每個參數意思（以第一行為例）為：
參數 解釋 /proc//status
Size (pages) 任務虛擬地址空間的大小 VmSize/4
Resident(pages) 應用程序正在使用的物理內存的大小 VmRSS/4
Shared(pages) 共享頁數 0
Trs(pages) 程序所擁有的可執行虛擬內存的大小 VmExe/4
Lrs(pages) 被映像到任務的虛擬內存空間的庫的大小 VmLib/4
Drs(pages) 程序數據段和用戶態的棧的大小 （VmData+ VmStk ）4
dt(pages) 04
查看機器可用內存
/proc/28248/>free
total used free shared buffers cached
Mem: 1023788 926400 97388 0 134668 503688
-/+ buffers/cache: 288044 735744
Swap: 1959920 89608 1870312
我們通過free命令查看機器空閑內存時，會發現free的值很小。這主要是因為，在linux中有這麽一種思想，內存不用白不用，因此它盡可能的cache和buffer一些數據，以方便下次使用。但實際上這些內存也是可以立刻拿來使用的。
所以 空閑內存=free+buffers+cached=total-used
查看進程使用的內存
查看一個進程使用的內存，是一個很令人困惑的事情。因為我們寫的程序，必然要用到動態鏈接庫，將其加入到自己的地址空間中，但是/proc/pid/statm統計出來的數據，會將這些動態鏈接庫所占用的內存也簡單的算進來。
這樣帶來的問題，動態鏈接庫占用的內存有些是其他程序使用時占用的，卻算在了你這裏。你的程序中包含了子進程，那麽有些動態鏈接庫重用的內存會被重復計算。
因此要想準確的評估一個程序所占用的內存是十分困難的，通過寫一個module的方式，來準確計算某一段虛擬地址所占用的內存，可能對我們有用。(T002)
Linux內存使用方法詳細解析