6.3 内存分配与回收

内存分配与回收是内存管理的核心功能，操作系统需要高效地管理物理内存，为进程分配和回收内存空间，同时标准库也会在用户态提供更细粒度的内存分配，满足程序的动态内存需求。

操作系统的内存管理

操作系统的内存管理分为两个层面：

物理内存管理：管理整个系统的物理页，分配给各个进程
虚拟内存管理：管理每个进程的虚拟地址空间，将虚拟页映射到物理页

物理内存分配

操作系统需要管理所有的物理页，为进程分配和回收物理页，常用的物理内存分配算法：

1. 伙伴系统（Buddy System）

伙伴系统是Linux内核使用的物理页分配算法：

原理：把物理内存按2的幂次方大小划分成多个块，每个块大小是4KB、8KB、16KB…直到最大的块大小
当需要分配n个页时，找到大于等于n的最小的2的幂次方的块分配
如果没有合适的块，就把更大的块分裂成两个相等的伙伴块，直到得到需要的大小
回收时，检查回收的块的伙伴块是否也是空闲的，如果是就合并成更大的块
优点：实现简单，合并快速，减少外部碎片
缺点：内部碎片，比如需要5个页的话要分配8个页，浪费3个页的空间

2. Slab分配器

伙伴系统是以页为单位分配的，但操作系统经常需要分配小于页大小的内核对象（比如进程描述符、inode等），Slab分配器就是用来分配小对象的：

原理：为每种类型的内核对象创建一个缓存，缓存中包含多个Slab，每个Slab由一个或多个连续的物理页组成，里面存放固定大小的对象
分配时直接从对应的缓存中分配空闲对象，回收时放回缓存
优点：分配小对象速度极快，不会产生内部碎片，缓存常用的对象，避免重复初始化
Linux内核中使用的是改进的Slub分配器，性能更好，更节省内存

进程虚拟地址空间布局

每个进程的虚拟地址空间是独立的，32位Linux系统的典型布局：

┌───────────────────┐ 0xFFFFFFFF
│       内核空间     │  1GB，内核使用，所有进程共享
├───────────────────┤ 0xC0000000
│       栈区         │  从高地址向低地址增长，存储函数调用栈、局部变量
├───────────────────┤
│    内存映射区      │  动态库、文件映射、mmap分配的内存
├───────────────────┤
│       堆区         │  从低地址向高地址增长，动态分配的内存（malloc/new）
├───────────────────┤
│    数据段（BSS）   │  未初始化的全局变量和静态变量，初始化为0
├───────────────────┤
│    数据段（Data）  │  已初始化的全局变量和静态变量
├───────────────────┤
│    代码段（Text）  │  程序的可执行代码、只读常量
└───────────────────┘ 0x00000000

64位系统的虚拟地址空间更大，布局类似，但各个段的范围更大。