在执行malloc时内核会发生什么？

Question

在面试中，我被问到了这个问题。他们想知道当用户调用malloc（4）来分配4字节的内存时，操作系统（Linux）会如何响应？哪个子系统会响应此系统调用？

我告诉他，malloc()将由内存管理子系统提供服务。malloc()实现将通过空闲内存（物理内存）列表查找适当的大于或等于4字节的块。一旦找到这样的块，它将从空闲列表中删除并添加到一个已使用列表中。然后，该物理内存将映射到进程堆vma结构中。但是，他好像对这个答案不太满意。伙伴系统如何与此相匹配？任何帮助都将不胜感激。

- liv2hak

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他当时很生气。malloc()是在用户模式下实现的。 - Chris Becke

@Chris：大部分情况下，malloc可能会调用sbrk。 - Tom Anderson

@Chris：不一定。这里给出的答案暗示了 malloc() 从物理内存中分配，这有点错误。 - JeremyP

此外，“操作系统”并不等同于“内核”；我认为，在谈论Unix时，“操作系统”可以理解为“内核、引导程序、libc以及基本的用户模式程序，如init、getty、login和其他相关程序”。根据面试官提问的具体方式，谈论分配器在用户模式下的作用可能是一个合理的答案。 - Tom Anderson

他可能对你在用户调用malloc和内核函数malloc之间混淆不满意。你所描述的应该是内核malloc的功能。 - CCNA

跨操作系统版本：https://dev59.com/eXNA5IYBdhLWcg3wBpHs - Ciro Santilli OurBigBook.com

Answer 1

当用户空间应用程序调用malloc()时，该调用并未在内核中实现。相反，它是一个库调用（由glibc或类似的库实现）。

简而言之，glibc中的malloc实现要么从brk()/sbrk()系统调用中获取内存，要么通过mmap()获取匿名内存。这使得glibc拥有大量连续的（关于虚拟内存地址的）内存块，malloc实现进一步将其切成较小的块并分配给您的应用程序。

这里有一个小的malloc实现，可以让您了解这个过程，以及许多其他链接。

请注意，目前还没有关注物理内存 - 当进程数据段通过brk()/sbrk()或mmap()进行更改，并且在引用内存时（通过读取或写入内存）由内核虚拟内存系统处理。

总结:

1. malloc()将搜索其托管的内存片段，查看是否有未使用的内存片段符合分配要求。
2. 如果失败，则malloc()将尝试扩展进程数据段（通过sbrk()/brk()或在某些情况下mmap()）。sbrk()最终进入内核。
3. 内核中的brk()/sbrk()调用将调整进程的struct mm_struct中的一些偏移量，因此进程数据段将变得更大。首先，没有物理内存映射到扩展数据段所给出的附加虚拟地址。
4. 当该未映射内存第一次被触摸时（可能是malloc实现的读/写），将启动故障处理程序并陷入内核，内核将向未映射内存分配物理内存。

- nos

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请问您能否详细说明第四点是如何实现的？我只想知道物理内存最终是如何分配的，以及内核代码的哪一部分负责此操作？ 谢谢。 - Arjun Bora

@ArjunBora 不好意思，那是一个相当大的话题。请另外提出一个问题。 - nos

Answer 2

malloc并不直接处理物理内存，它处理分页虚拟内存 - 尽管我不确定是否适用于所有体系结构。

当程序尝试分配内存且空闲列表中没有相等或更大尺寸的块时，将分配一个全新的页面。页面大小取决于体系结构（在x86上为4096字节）。页分配是只有内核可以执行的操作，因此malloc调用可能会导致系统调用。然后，新地址被添加到空闲列表中，malloc根据其实现方式操作空闲列表（例如检查glibc）。

- jweyrich