内存管理

基础

1. 内存碎片是什么?如何避免
     内存碎片是指已经分配的内存块之间出现未被利用的空间;内存碎片分为内部碎片和外部碎片,内部碎片的意思是:分配了10个字节,但实际只用2个字节;外部内存碎片是指夹在两个内存块中间的内存

• 使用内存对齐:比如分配内存块过小的时候,分配的size更大一些
• 内存池:预先定义好固定大小的内存池
• 避免内存泄漏

2. 什么是内存泄漏?如何避免
     内存泄漏是指程序动态分配的内存未释放，导致系统内存浪费，最终可能使程序崩溃(要么是忘了,要么是给这个指针分配其他值了)

• 良好的编程习惯
• 使用智能指针(C++)
• 使用内存检查工具:ccmalloc

3. segmeationdefault是什么?如何调试
     ​Segmentation fault​（段错误）通常是由于程序访问了未分配或非法的内存地址引起的

• gdb调试
• 检查指针和数组是否越界,或者是不是局部变量占用空间过大导致栈溢出
• 非法指针 指针指向了一个无法访问的地址
• 使用相关的工具检测

4. 堆/栈 的区别是什么
   • 栈由程序自由分配/释放,堆由程序员手动释放
   • 栈是从高地址向低地址增长,堆是从低地址向高地址增长
   • 对于进程的多个线程,每个线程有自己的栈(进程调度篇讲过为啥)
   • 对于进程的多个线程,共享堆内存
   • 栈保存的是函数的局部变量 调用信息
   • 堆保存的是动态分配的数据
5. 堆/栈内存溢出的原因
   堆内存溢出:可能是堆的尺寸设置得过小/动态申请的内存没有释放。
   栈内存溢出:可能是栈的尺寸设置得过小/递归层次太深/函数调用层次过深/分配了过大的局部变量int a[1000000000000000]/数组越界

裸机的内存管理

• 为什么不建议使用裸机malloc
  裸机的堆和栈的定义在startup.s中大小可以通过修改Heap_Size和Stack_Size来确定,这两块区域会由__main函数来分配和初始化
  

  如果发现程序出现了栈溢出,就增大Stack_Size的内存
  这块内存是在是太小了,很容易出现碎片化,而且你也不确定这个malloc背后的实现到底咋样

• 实现自己的mymalloc
  如果真的想用malloc的话 在裸机上用的更多的是内存池的操作,虽然会浪费内存但是可以有效防止外部内存碎片化
  比如我们可以预先定义一个全局数组 然后通过算法去管理对这个数组的访问
  

FreeRTOS的内存管理算法

heap1-heap5

• heap4算法
  • 把所有的空闲块组合成一个链表 每次需要新的内存块就遍历链表寻找
  • firstFit思想:第一个大于等于需要Size + 结构体 大小的空闲块会被取出 如果过大会被分割
  • 释放内存块时会尝试合并链表中的空闲内存
  • 缺点是分配时间不确定

TLSF算法–O(1)复杂度

• TLSF通过两级位图（Two-Level Bitmap）和分级空闲块链表（Segregated Free List）的数据结构，确保内存分配和释放的时间复杂度均为O(1)，适合实时性要求高的场景
• 由于采用四字节对齐至少size > 4,所以size的低2位被赋予了不同的含义
• good-fit思想: 假设一块所需内存 125byte 不会去120 - 128区间搜索 会直接在129-137这个区间找

Linux的内存管理

Linux的内存管理相当庞大 这里就大概讲一讲
为什么要引入虚拟内存?

• 简化内存管理:此时写代码的只要考虑虚拟地址空间(一片连续的内存)就好,而操作系统要考虑的就多了
• 实现内存隔离与安全性: 防止有进程恶意访问/修改某些地址的内容
• 更好的支持多任务并发: RTOS是直接指定了任务用多大的栈,但是一般都会有浪费
  为了方便管理 内存的基本单位为一页(4KB) 无论是虚拟内存管理还是物理内存管理 都是以页为基本单位的

虚拟内存管理

对于64位操作系统 进程的虚拟地址空间是非常巨大的,一般会把整个地址空间划分一下

通过 mm_struct来管理整个进程,mm_struct记录了每个区的开始地址和结束地址
通过 vm_area_structs对于每个区进行管理 包括这个区的大小 可读/写权限等

内核态虚拟内存空间是所有进程共享的,不同进程进入内核态之后看到的虚拟内存空间全部是一样的

物理内存管理

虚拟内存地址转物理内存地址是通过一个叫做MMU的单元来实现的,为了加快转换速度会有一个TLB来进行缓存

• 段映射与页映射
    最开始时是段映射,比如在虚拟地址中的各个段,记录这些段在真实物理内存的起始地址,这样对于段中变量通过偏移量就能找到物理内存了
  

  缺点:管理不够细致,容易产生内存碎片;因为是基于偏移量转换的 这意味着必须每段必须对应一块连续的物理内存;此时就很容易产生内存碎片了

  所以引入了页映射,此时对于内存的管理更加精确更加细致,哪怕是程序中的段也不一定得使用连续物理内存了
  缺点:页表的记录需要消耗很多物理内存,引入了多级页表与TLB(TLB实际上就是一个缓存)

  • 虚拟内存与物理内存的映射
    

• 缺页中断 pagefault

  • 如何触发
    程序访问虚拟内存一个页时,如果当前页面不在物理内存中 就会触发page fault
  • 是谁的动作
    硬件上: MMU 发现了访问内存物理页不存在或者访问权限不够 就会触发这个异常,此时操作系统就会处理
    软件上: 操作系统执行对应的handler 把页面从磁盘或者swap空间加载到物理内存。/也有可能别的进程用了这块东西已经在物理内存了,那就建立映射就行

堆区内存管理

  malloc()/free()函数的底层实现，其实就是通过系统调用brk向内核的内存管理系统申请内;malloc申请的内存大于128KB的时候 就会使用mmap映射了 可以通过打印地址来分析在哪里

因为反复的系统调用开销是很大的,所以我们会使用ptmalloc来管理已经申请/释放的内存
感兴趣可以搜索了解
大概流程:
malloc–>系统调用brk()–>内核更新vm_area_struct–>发现需要触发Page Fault–>调用对应Handler–>完成物理内存分配和映射–>返回