内存相关

1 ptmalloc

ptmalloc是GNU C Library（glibc）中的默认内存分配器，广泛用于Linux系统。以下是对ptmalloc的详细解析：

一、概述

• 起源：ptmalloc起源于Doug Lea的malloc实现，并由Wolfram Gloger进行改进，以支持多线程。
• 目标：ptmalloc的主要目标是为多线程应用程序提供高效的内存分配和释放。
• 名称含义：“pt”代表“pthreads”，指的是POSIX线程库，表明其支持多线程的特性。

二、特点

1. 多线程支持：ptmalloc通过为每个线程提供本地缓存（称为线程缓存或tcache）来减少线程之间的竞争，提高内存分配的速度。
2. 内存分割：将内存分为小块（small bins）和大块（large bins），以便更有效地管理不同大小的内存请求。
3. 动态分配区：ptmalloc引入了动态分配区（dynamic arena）的概念，与主分配区（main arena）一起通过环形链表进行管理。每个分配区利用互斥锁实现线程对该分配区的访问互斥。
4. 内存管理策略：预先向操作系统申请并持有一块内存供用户malloc，同时管理已使用和空闲的内存。用户执行free时，会将回收的内存管理起来，并通过策略决定是否交还给操作系统。

三、数据结构

ptmalloc中主要的数据结构包括：

• malloc_state（Arena header）：描述了一个分配区的状态，包括bins、top chunk、last remainder chunk等信息。
• heap_info（Heap Header）：每个堆都有自己的堆Header，用于管理堆的信息。
• malloc_chunk：是内存块（chunk）的基本组织单元，用于描述每个内存块的状态和大小。每个chunk都有自己的header，包括prev_size（前一个chunk的大小，如果前一个chunk是空闲的）、size（当前chunk的大小，包括开销）、以及用于链表管理的指针（fd、bk等）。

四、内存分配与释放

1. 内存分配：

   • 线程首先尝试从自己的线程缓存中满足内存请求。
   • 如果线程缓存无法满足，则尝试从全局的bins中查找合适的内存块。
   • 如果bins中也找不到合适的内存块，则考虑从top chunk中分配或扩展top chunk。
   • 对于大块内存请求，可能会直接使用mmap()从操作系统申请内存。

2. 内存释放：

   • 释放的内存块首先被加入到unsorted bin中。
   • 根据内存块的大小，可能会被合并到small bins、large bins或fast bins中。
   • 如果内存块足够大或空闲时间过长，可能会被交还给操作系统。

五、优缺点

• 优点：

  • 成熟稳定，与GNU C库紧密集成。
  • 支持多线程，通过线程缓存减少锁竞争。
  • 通过bins和top chunk等机制提高内存分配和释放的效率。

• 缺点：

  • 在高并发场景下，仍然可能存在锁竞争问题。
  • 与其他先进的内存分配器（如tcmalloc、jemalloc）相比，性能可能不是最优的。

六、总结

ptmalloc作为glibc中的默认内存分配器，在Linux系统中扮演着重要角色。它通过一系列机制来提高内存分配和释放的效率，并支持多线程应用程序。然而，随着技术的发展和应用场景的变化，ptmalloc也需要不断优化和改进以适应新的需求。