Linux虚拟内存介绍,以及malloc_stats和malloc_info 监控查看内存情况
zzhongcy 2019-04-09 10:33:08 3106 已收藏 3
分类专栏: Linux
版权
查找内存泄漏问题,可以使用valgrind、malloc_stats和malloc_info 监控查看内存情况。
1、 Linux内存介绍
1.1 Linux 的虚拟内存管理有几个关键概念:
1、每个进程都有独立的虚拟地址空间,进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址;
2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射,获得真正物理地址;
3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中,则产生缺页中断,真正分配物理地址,同时更新进程的页表;如果此时物理内存已耗尽,则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。
1.2、Linux 虚拟地址空间如何分布?
Linux 使用虚拟地址空间,大大增加了进程的寻址空间,由低地址到高地址分别为:
1、只读段:该部分空间只能读,不可写;(包括:代码段、rodata 段(C常量字符串和#define定义的常量) )
2、数据段:保存全局变量、静态变量的空间;
3、堆 :就是平时所说的动态内存, malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。
4、文件映射区域 :如动态库、共享内存等映射物理空间的内存,一般是 mmap 函数所分配的虚拟地址空间。
5、栈:用于维护函数调用的上下文空间,一般为 8M ,可通过 ulimit –s 查看。
6、内核虚拟空间:用户代码不可见的内存区域,由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。
1.3 32 位系统有4G 的地址空间::
其中 0x08048000~0xbfffffff 是用户空间,0xc0000000~0xffffffff 是内核空间,包括内核代码和数据、与进程相关的数据结构(如页表、内核栈)等。另外,%esp 执行栈顶,往低地址方向变化;brk/sbrk 函数控制堆顶_edata往高地址方向变化。
1.4 64位系统结果怎样呢? 64 位系统是否拥有 2^64 的地址空间吗?
事实上, 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变:
1、地址空间大小不是232,也不是264,而一般是2^48。因为并不需要 2^64 这么大的寻址空间,过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间,40位表示物理地址,这可通过 /proc/cpuinfo 来查看
address sizes : 40 bits physical, 48 bits virtual
2、其中,0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间, 0xFFFF800000000000~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间,共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。
这两个区间的特点是,第 47 位与 48~63 位相同,若这些位为 0 表示用户空间,否则表示内核空间。
3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈;
2、 valgrind
valgrind可以用来检测内存泄露,但在使用中,往往会遇到一些问题,给调试工作带来很多不必要的麻烦,我自己遇到的有以下两种:
(1)内存泄露误检(系统初始化时,可能有一些需要长期保存在内存中的数据结构,这些空间是永远不释放的,而这些内存会被认为绝对泄露)
(2) valgrind检查内存泄露过于全面,运行后的结果太多往往很难从中找到有用的信息。有时候,我们只需要关注某些函数,可能在执行某个操作,调用某些函数时会出现内存泄露,此时,valgrind的工作显得冗余而复杂
3、 mallinfo
mallinfo函数已不推荐使用,并且都不再更新。
可以添加代码到程序:
#include <malloc.h>
#include <stdio.h>
void dumpMallinfo(void) {
struct mallinfo m = mallinfo();
printf(“uordblks = %dnfordblks = %dn”, m.uordblks, m.fordblks);
}
在GDB,可以 call dumpMallinfo().
4、 malloc_stats
系统库函数中提供了malloc_stats()函数,可以统计本进程具体的内存使用情况,精确到字节。
glibc 提供了以下结构和接口来查看堆内内存和 mmap 的使用情况。
struct mallinfo {
int arena; /* non-mmapped space allocated from system /
int ordblks; / number of free chunks /
int smblks; / number of fastbin blocks /
int hblks; / number of mmapped regions /
int hblkhd; / space in mmapped regions /
int usmblks; / maximum total allocated space /
int fsmblks; / space available in freed fastbin blocks /
int uordblks; / total allocated space /
int fordblks; / total free space /
int keepcost; / top-most, releasable (via malloc_trim) space */
};
/*返回heap(main_arena)的内存使用情况,以 mallinfo 结构返回 */
struct mallinfo mallinfo();
/* 将heap和mmap的使用情况输出到stderr*/
void malloc_stats();
4.1 gdb内部调试
call malloc_stats()
(gdb) call malloc_stats()
Arena 0:
system bytes = 135168
in use bytes = 96
Total (incl. mmap):
system bytes = 135168
in use bytes = 96
max mmap regions = 0
max mmap bytes = 0
call malloc_info(0, stdout)
(gdb) call malloc_info(0, stdout)
<system type=“current” size="135168
/>
<system type=“max” size="135168
/>
4.2 gdb外部调试
根据 malloc_stats()的手册手册,内存信息被发送到标准错误。 一般输出到stderr 。
命名:
gdb --batch --pid --ex ‘call malloc_stats()’
查看stderr.log:
$ gdb -p $(pgrep -P $(cat logs/nginx.pid)) -ex ‘call malloc_stats()’
Arena 0: <<< 线程 0(一般tengine worker内只有1个thread)
system bytes = 1372160 <<< 从os抽取的内存(一般为mmap)
in use bytes = 1198448 <<< 应用程序malloc的
Total (incl. mmap):
system bytes = 1372160
in use bytes = 1198448
max mmap regions = 6
max mmap bytes = 2789376
4.3.2 for jemalloc:
$ gdb -batch -p -ex ‘call malloc_stats_print(0,0,0)’
如果想知道堆内片究竟有多碎 ,可通过 mallinfo 结构中的 fsmblks 、 smblks 、 ordblks值得到,这些值表示不同大小区间的碎片总个数,这些区间分别是 0~80 字节, 80~512 字节,512~128k 。如果 fsmblks 、 smblks 的值过大,那碎片问题可能比较严重了。
不过, mallinfo 结构有一个很致命的问题,就是其成员定义全部都是 int ,在 64 位环境中,其结构中的 uordblks/fordblks/arena/usmblks 很容易就会导致溢出,应该是历史遗留问题,使用时要注意!
5、 除了 glibc 的 malloc/free ,还有其他第三方实现吗?
其实,很多人开始诟病 glibc 内存管理的实现,就是在高并发性能低下和内存碎片化问题都比较严重,因此,陆续出现一些第三方工具来替换 glibc 的实现,最著名的当属 google 的tcmalloc 和 facebook 的 jemalloc 。网上有很多资源,可搜索之,这里就不详述了。
6、 既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放,为什么不全部使用 mmap 来分配,munmap直接释放呢?
既然堆内碎片不能直接释放,导致疑似“内存泄露”问题,为什么 malloc 不全部使用 mmap 来实现呢(mmap分配的内存可以会通过 munmap 进行 free ,实现真正释放)?而是仅仅对于大于 128k 的大块内存才使用 mmap ?
其实,进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap 都是系统调用,频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且, mmap 申请的内存被 munmap 后,重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配 1M 空间,第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ,当munmap 后再次分配 1M 空间,会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为,会导致内核态CPU消耗较大。另外,如果使用 mmap 分配小内存,会导致地址空间的分片更多,内核的管理负担更大。
同时堆是一个连续空间,并且堆内碎片由于没有归还 OS ,如果可重用碎片,再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断,这将大大降低 CPU 的消耗。 因此, glibc 的 malloc 实现中,充分考虑了 sbrk 和 mmap 行为上的差异及优缺点,默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间,也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>) 来修改这个临界值。
malloc系统有自己的内存池管理策略:
1、malloc的时候,检测池中是否有足够内存,有则直接分配,无则从内存中调用brk/mmap函数分配,一般小于等于128k(可设置)的内存,使用brk函数,此时堆向上(有人有的硬件或系统向下)增长,大于128k的内存使用mmap函数申请,此时堆的位置任意,无固定增长方向。
2、free的时候,检测标记是否是mmap申请,是则调用unmmap归还给操作系统,非则检测堆顶是否有大于128k的空间,有则通过brk归还给操作系统,无则标记未使用,仍在glibc的管理下。
glibc为申请的内存存储多余的结构用于管理,因此即使是malloc(0),也会申请出内存(一般16字节,依赖于malloc的实现方式),在应用程序层面,malloc(0)申请出的内存大小是0,因为malloc返回的时候在实际的内存地址上加了16个字节偏移,而c99标准则规定malloc(0)的返回行为未定义。除了内存块头域,malloc系统还有红黑树结构保存内存块信息,不同的实现又有不同的分配策略。频繁直接调用malloc,会增加内存碎片,增加和内核态交互的可能性,降低系统性能。
7、如何查看进程的缺页中断信息?
可通过以下命令查看缺页中断信息
ps -o majflt,minflt -C <program_name>
ps -o majflt,minflt -p
MAJFLT MINFLT
0 27698
其中:: majflt 代表 major fault ,指大错误; minflt 代表 minor fault ,指小错误。
这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数。
其中 majflt 与 minflt 的不同是:
majflt 表示需要读写磁盘,可能是内存对应页面在磁盘中需要load 到物理内存中,也可能是此时物理内存不足,需要淘汰部分物理页面至磁盘中。
参考:
https://github.com/alibaba/tengine/issues/1043
https://blog.csdn.net/origin_lee/article/details/42740535
http://landcareweb.com/questions/20566/jian-cha-gdbzhong-de-c-c-dui-nei-cun-tong-ji-xin-xi