现代虚拟机如何处理内存分配？

Question

我正在编写一个简单的堆栈机器程序，使用C语言编写，主要是为了学习目的。在使用malloc/free进行内存操作后，我认为阅读一些现代虚拟机中的内存分配特定代码是一个好主意。

我下载了Lua源代码并开始阅读它。过了一会儿，我意识到有很多宏定义涉及其中，并且我找不到真正执行内存分配（即malloc调用）的代码。

find . -exec grep -i "malloc" '{}' \; -print

它只打印了一些Lua宏，这些宏中包含“malloc”单词。 Lua虚拟机（和编程语言）根本不使用malloc！

所以这引出了一个问题：现代虚拟机如何处理内存分配？ Lua如何从堆中分配内存？ 除malloc之外还有其他的分配方式吗？ 其他方法的优缺点是什么？

我还想知道安全地处理已分配内存的最佳实践、设计模式等方面的信息。 我在Lua源码中看到，在分配内存之前有很多间接操作。 我应该在哪里学习这些内容？

- sinan

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你对哪种虚拟机感兴趣？有一些虚拟机可以虚拟整个计算机，你知道吗？你也在问这些吗？ - Alexey Frunze

@AlexeyFrunze，不是的，我只是对用于编程语言的虚拟机感兴趣。 - sinan

好的，标题看起来有点混乱。 - Alexey Frunze

这是那种真的应该迁移到 programmers.se 的罕见问题吗？ - finnw

@finnw 问题被错误地迁移到 programmers.se 上，这是常见的吗？ - snogglethorpe

@snogglethorpe，以前是这样的（但最近他们让它变得更加困难了）。 - finnw

Answer 1

Lua绝对使用malloc，以realloc的形式（也可以传递自定义分配器）。然而，由于Lua使用类似99%基于VM的语言的GC，它使用宏自动将GC标头块添加到分配中。

您可以在lmem.c和lmem.h中找到Lua内存的处理方式，这些都使用VM的全局状态来存储分配器，最初设置为l_alloc（来自lauxlib.c），但可以通过lua_setallocf更改。

最近，LuaJIT添加了分配sinking和计划一些真正酷炫的内存功能，您可以在LuaJIT Garbage Collection文章中阅读。该文章涵盖了许多与VM / JIT内存分配、sinking、聚合和垃圾收集相关的策略和设计。

从各种内存分配器的优缺点来看，使用标准的malloc很简单，但代价是速度慢以及对齐方式和各种额外块的浪费。转向更高级的arena、pool、slab和block分配器，我们可以显著加快速度（特别是对于固定大小的内部VM分配），并避免可能发生的更一般的分配器（例如malloc）会出现的碎片和开销。但当然，这些分配器更复杂，如果您从头开始启动（在像VM这样的更大系统中），则必须对其进行调试，这只是寻求问题的途径，而不是经过试验验证的CRT malloc实现。

- Necrolis

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谢谢，你能告诉我在哪里使用了 malloc 吗？因为就像我之前说的，我找不到它。我打算跟踪使用 malloc 的代码以更好地理解内部情况。 - sinan

@sinan：让我快速找到它。 - Necrolis

谢谢，但是realloc不是需要一个malloc或calloc的调用吗？所以应该有一些malloc或calloc的调用... - sinan

是的，但LUA源代码不包含realloc源代码，因为realloc是一个标准函数，它是C运行时的一部分。如果想查看realloc源代码，您需要下载glibc的源代码，如果我没记错的话。 - sashoalm

不，你可以使用realloc（3）而不必使用malloc（3）。来自手册页的说明：如果ptr为NULL，则realloc（）与调用malloc（）相同，分配size字节的内存空间。 - Mackie Messer

Answer 2

Lua核心不使用malloc及其相关函数。它依赖于用户提供的内存分配函数，该函数具有类似于realloc的语义（但在处理NULL指针和大小为0时更精确）。请参见lua_Alloc。

辅助Lua库提供了一个方便的luaL_newstate函数，该函数通过核心的lua_newstate函数创建一个Lua状态，并使用基于标准realloc和free的内存分配函数。其他客户端可以使用适合他们应用程序的任何内存分配方式。

- lhf