來源：微信公眾號：cpp軟件架構(gòu)獅
要想回答這個問題，就得刨根問底，內(nèi)存到底是怎樣分配的？
在內(nèi)核態(tài)的角度來看，進程需要分配內(nèi)存的方式有兩種：brk和mmap這兩個系統(tǒng)調(diào)用。
- brk是數(shù)據(jù)段的最高地址指針_edata往高地址增長；
- mmap是建立了頁到用戶進程的虛擬空間映射，在進程的虛擬地址空間中，堆和棧之間的大空間中找一塊空閑的地址。
這兩種方式分配到的都是虛擬內(nèi)存，并還沒有分配真正的物理地址。會在第一次訪問的時候，內(nèi)核判斷有沒有物理地址，如果沒有回發(fā)生缺頁中斷，然后分配物理地址，建立虛擬地址和物理地址之間的映射關系。
但在用戶態(tài)申請動態(tài)內(nèi)存，是不會直接調(diào)用這兩個系統(tǒng)調(diào)用接口。一般情況下是通過C庫的malloc/free來申請和釋放。而C庫的實現(xiàn)也正是基于這兩個系統(tǒng)調(diào)用接口，進行上層的封裝和管理。
當內(nèi)核發(fā)生缺頁中斷的時候，到底會做哪些事情呢？
首先進程會從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)運行，會執(zhí)行以下步驟：
- 檢查需要訪問的虛擬地址是否合法；
- 查找，分配物理頁；
- 填充物理頁的內(nèi)容；
- 建立映射關系（虛擬地址->物理地址）；
重新執(zhí)行發(fā)生缺頁中斷的那條指令。
如果第3步，需要讀取磁盤，那么這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。
注意：
用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。
majflt代表major fault，中文名叫主錯誤，minflt代表minor fault，中文名叫次錯誤。
這兩個數(shù)值表示一個進程自啟動以來所發(fā)生的缺頁中斷的次數(shù)。
下面我們用實例來解釋下內(nèi)存申請的原理
情況一、malloc小于128k的內(nèi)存，使用brk分配內(nèi)存，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應物理內(nèi)存(因此沒有初始化)，第一次讀/寫數(shù)據(jù)時，引起內(nèi)核缺頁中斷，內(nèi)核才分配對應的物理內(nèi)存，然后虛擬地址空間建立映射關系)，如下圖：
1、進程啟動的時候，其（虛擬）內(nèi)存空間的初始布局如第一幅圖所示。其中，mmap內(nèi)存映射文件是在堆和棧的中間（例如libc-2.2.93.so，其它數(shù)據(jù)文件等），為了簡單起見，省略了內(nèi)存映射文件。_edata指針（glibc里面定義）指向數(shù)據(jù)段的最高地址。
2、進程調(diào)用A=malloc(30K)以后，內(nèi)存空間如第二幅圖：malloc函數(shù)會調(diào)用brk系統(tǒng)調(diào)用，將_edata指針往高地址推30K，就完成虛擬內(nèi)存分配。你可能會問：只要把_edata+30K就完成內(nèi)存分配了？
事實是這樣的，_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊內(nèi)存現(xiàn)在還是沒有物理頁與之對應的，等到進程第一次讀寫A這塊內(nèi)存的時候，發(fā)生缺頁中斷，這個時候，內(nèi)核才分配A這塊內(nèi)存對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內(nèi)容，然后從來不訪問它，那么，A對應的物理頁是不會被分配的。
3、進程調(diào)用B=malloc(40K)以后，內(nèi)存空間如第三幅圖。
情況二、malloc大于128k的內(nèi)存，使用mmap分配內(nèi)存，在堆和棧之間找一塊空閑內(nèi)存分配(對應獨立內(nèi)存，而且初始化為0)，如下圖：
4、進程調(diào)用C=malloc(200K)以后，內(nèi)存空間第一幅圖：默認情況下，malloc函數(shù)分配內(nèi)存，如果請求內(nèi)存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調(diào)節(jié)），那就不是去推_edata指針了，而是利用mmap系統(tǒng)調(diào)用，從堆和棧的中間分配一塊虛擬內(nèi)存。
這樣子做主要是因為:brk分配的內(nèi)存需要等到高地址內(nèi)存釋放以后才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的，這就是內(nèi)存碎片產(chǎn)生的原因，什么時候緊縮看下面），而mmap分配的內(nèi)存可以單獨釋放。
當然，還有其它的好處，也有壞處，再具體下去，有興趣的同學可以去看glibc里面malloc的代碼了。
5、進程調(diào)用D=malloc(100K)以后，內(nèi)存空間如圖5；
6、進程調(diào)用free(C)以后，C對應的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存一起釋放。
7、進程調(diào)用free(B)以后，如第一幅圖所示：B對應的虛擬內(nèi)存和物理內(nèi)存都沒有釋放，因為只有一個_edata指針，如果往回推，那么D這塊內(nèi)存怎么辦呢？
當然，B這塊內(nèi)存，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那么malloc很可能就把B這塊內(nèi)存返回回去了。
8、進程調(diào)用free(D)以后，如第二幅圖所示：B和D連接起來，變成一塊140K的空閑內(nèi)存。
9、默認情況下：當最高地址空間的空閑內(nèi)存超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調(diào)節(jié)）時，執(zhí)行內(nèi)存緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發(fā)現(xiàn)最高地址空閑內(nèi)存超過128K，于是內(nèi)存緊縮，變成第三幅圖所示。
如果這個時候我們想要申請一塊50K的內(nèi)存E，就會出現(xiàn)下圖的情況。
有沒有發(fā)現(xiàn)，并沒有從中間40K的內(nèi)存分配，因為不滿足我們申請50K大小的要求，而是向下偏移指針_edata分配50K，到這里就能發(fā)現(xiàn)就產(chǎn)生了內(nèi)存碎片，這塊碎片正是那40K。
系統(tǒng)運行的越久，出現(xiàn)上述這樣的情況越多，整個系統(tǒng)的小內(nèi)存就會很多，導致的結(jié)果是：查看系統(tǒng)的剩余內(nèi)存比較可觀，但申請大塊內(nèi)存會返回失敗。
