探究操作系统的内存分配（malloc）对齐策略

问题：

　　我们在写程序的时候经常发现程序使用的内存往往比我们申请的多，为了优化程序的内存占用，搅尽脑汁想要优化内存占用，可是发现自己的代码也无从优化了，怎么办？现在我们把我们的焦点放到malloc上，毕竟我们向系统申请的内存都是通过它完成了，不了解他，也就不能彻底的优化内存占用。

来个小例子

//g++ -o malloc_addr_vec  mallc_addr_vec.cpp 编译
 2 #include<iostream>
 3 using namespace std;
 4 int main(int argc, char *argv[])
 5 {
 6     int malloc_size = atoi(argv[1]);
 7     char * malloc_char;
 8     for (size_t i = 0; i < 1024*1024; ++i) {
 9         malloc_char = new char[malloc_size];
10     }
11     while (1) {}//此时查看内存占用
12     return 0;
13 }

 本文的测试环境为Linux 64Bit ,使用G++编译为可执行文件后，使用不同的启动参数启动，使用top命令查看程序占用的内存，这里我们主要是看RES指标

RES  --  Resident size (kb)

The non-swapped physical memory a task has used.  

测试案例：

1.每次new 1 Byte   Do 1024*1024次

 ./malloc_addr_vec 1

启动程序后的内存占用

 

内存消耗 32MB 

 2.每次new 24 Byte  Do 1024*1024次

 ./malloc_addr_vec 24

 启动程序后的内存占用

 

内存消耗32MB 

 3.每次new 25 Byte   Do 1024*1024次

 ./malloc_addr_vec 25

启动程序后的内存占用 

 

 内存消耗48MB

　　为什么我们每次new 1Byte 和每次 new 24Byte系统消耗的内存一样呢？，为什么每次new 25Byte和 每次new 24Byte占用的内存完全不同呢？

　　不知道大家在写程序的时候有没有关注过这个问题。我一次遇到时，吐槽一句：What the fuck malloc. 

原因分析：

 　　在大多数情况下，编译器和C库透明地帮你处理对齐问题。POSIX 标明了通过malloc( ), calloc( ), 和 realloc( ) 返回的地址对于任何的C类型来说都是对齐的。

　　对齐参数（MALLOC_ALIGNMENT） 大小的设定并需满足两个特性

 1.必须是2的幂

 2.必须是(void *)的整数倍

　　至于为什么会要求是(void *)的整数倍，这个目前我还不太清楚，等你来发现...

　　根据这个原理，在32位和64位的对齐单位分别为8字节和16字节

　　但是这并解释不了上面的测试结果，这是因为系统malloc分配的最小单位（MINSIZE）并不是对齐单位

 为了进一步了解细节，从GNU网站中把glibc源码下载下来，查看其 malloc.c文件

View Code

 　　其中request2size这个宏就是glibc的内存对齐操作，MINSIZE就是使用malloc时占用内存的最小单位。根据宏定义可推算在32位系统中MINSIZE为16字节，在64位系统中MINSIZE一般为32字节。从request2size还可以知道，如果是64位系统，申请内存为1~24字节时，系统内存消耗32字节，当申请内存为25字节时，系统内存消耗48字节。 如果是32位系统，申请内存为1~12字节时，系统内存消耗16字节，当申请内存为13字节时，系统内存消耗24字节。 

一般他们的差距是一个指针大小，计算公式是

max(MINSIZE,in_use_size) 

其中in_use_size=(要求大小+2*指针大小-指针大小)align to MALLOC_ALIGNMENT

(对于上面计算的由来可以参见glibc 内存池管理 ptmalloc这篇文章的第4节chuck部分以及搜一下malloc的内部实现源码 ）

　　为了证明这个理论的正确性，我们需要计算一次malloc到底花掉了多少内存，我们用如下代码分别在32bit Linux和 64bit Linux上做测试

 2 #include<stdio.h>
 3 #include<stdlib.h>
 4 int main()
 5 {
 6         char * p1;
 7         char * p2;
 8         int i=1;
 9         printf("%d ",sizeof(char *));
10         for(;i<100;i++)
11         {
12                 p1=NULL;
13                 p2=NULL;
14                 p1=(char *)malloc(i*sizeof(char));
15                 p2=(char *)malloc(1*sizeof(char));
16                 printf("i=%d     %d ",i,(p2-p1));
17         }
18 
19         getchar();
20 }

其测试结果如下：

32bit

View Code

 64bit

View Code  

了解了malloc的内存对其原理后，对于程序的内存占用的优化又有了有的放矢。我们可以根据内存对齐的原则来请求内存，来制作我们的高效内存池，从而避免隐形的资源浪费.

例如，目前STL的内存池是以8Byte为对齐单位，内存池free_list大小为

  free_list[0] --------> 8 byte

  free_list[1] --------> 16 byte

  free_list[2] --------> 24 byte

  free_list[3] --------> 32 byte
  ... ...

  free_list[15] -------> 128 byte 

STL内存池在发现某个规则的内存用完了时，会进行refill,在进行chunk_alloc

例如8Byte大小的空间没有了，调用refill,refill会将其空间准备20个,也就是20*8，当然refill做不了内存分配，他把20个8Byte的需求提交给chunk_alloc 

chunk_alloc 能真正分配内存，但是它分配的时候会将内存空间*2，所以最终malloc的内存为8*20*2=320 ，32bit系统给malloc的内存为328,64bit系统给malloc的内存为336

在32位和64位操作系统分别浪费掉8Byte和16Byte,其实我们可以在chunk_alloc内部简单的计算一下系统的内存对齐，达到 chunk_alloc 级零浪费...

至于 allocate级别的浪费，我想是避免不了了，譬如，我需要一个6Byte的空间，STL内存池给我的确实8Byte