malloc()使用brk()还是mmap()？

Question

c 代码：

// program break mechanism
// TLPI exercise 7-1

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void program_break_test() {
    printf("%10p\n", sbrk(0));

    char *bl = malloc(1024 * 1024);
    printf("%x\n", sbrk(0));

    free(bl);
    printf("%x\n", sbrk(0));

}

int main(int argc, char **argv) {
    program_break_test();
    return 0;
}

当编译以下代码时：

 printf("%10p\n", sbrk(0));

我收到了一个警告提示：

格式化字符串‘%p’需要的参数类型是‘void *’，但是第二个参数的类型是‘int’

问题1：为什么会出现这个提示？

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但是在我执行了 malloc(1024 * 1024) 之后，程序似乎没有改变 break。

以下是输出：

9b12000
9b12000
9b12000

问题2：当启动时，这个过程是否会在堆上分配内存以备将来使用？或者编译器改变了分配的时间点？如果没有，为什么？

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[更新] 总结：brk() 或 mmap()

在查看 TLPI 和 man 页面（得到 TLPI 作者的帮助）后，现在我理解了 malloc() 如何决定使用 brk() 或 mmap()，如下：

mallopt() 可以设置参数来控制 malloc() 的行为，其中有一个参数名为 M_MMAP_THRESHOLD，一般而言：

• 如果请求的内存小于该值，则使用 brk()；
• 如果请求的内存大于或等于该值，则使用 mmap()。

该参数的默认值为 128kb（在我的系统上），但在我的测试程序中，我使用了 1Mb，因此选择了 mmap()。当我将请求的内存更改为 32kb 时，我看到了将使用 brk()。

该书在 TLPI 第 147 和 1035 页提到了这一点，但我没有仔细阅读那部分内容。

关于该参数的详细信息可在 mallopt() 的 man 页面中找到。

- Eric

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这行代码是C语言中的预处理指令，用于包含unistd.h头文件。 - JS1

你需要 unistd.h 中的 sbrk() 原型。如果没有原型，编译器会假定未知函数返回 int。 - JS1

@JS1 我在想，既然我错过了头文件，它不应该会给出编译错误吗？但是它没有... - Eric

@EricWang：如果你使用的是gcc或clang编译器，那么加上-Wall参数会产生警告。你应该总是使用-Wall参数进行编译。 - rici

@rici 是的，我刚刚尝试使用-Wall编译，并看到了警告warning: implicit declaration of function ‘sbrk’，非常好的提示！ - Eric

Answer 1

如果我们更改程序以查看 malloc 分配的内存位置：

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

void program_break_test() {
  printf("%10p\n", sbrk(0));

  char *bl = malloc(1024 * 1024);
  printf("%10p\n", sbrk(0));
  printf("malloc'd at: %10p\n", bl);

  free(bl);
  printf("%10p\n", sbrk(0));

}

int main(int argc, char **argv) {
  program_break_test();
  return 0;
}

也许更清晰的是，sbrk 不会改变。由 malloc 分配给我们的内存被映射到一个完全不同的位置。

你还可以在 Linux 上使用 strace 查看调用了哪些系统调用，并发现 malloc 使用 mmap 来进行分配。

- Jay Kominek

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我发现有一个“THRESHOLD”来控制是否使用brk()或mmap()，我在问题中更新了它。 - Eric

Answer 2

malloc不仅局限于使用sbrk来分配内存。例如，它可能使用mmap来映射一个大的MAP_ANONYMOUS内存块；通常情况下，mmap会分配一个远离数据段的虚拟地址。

还有其他可能性。特别是，malloc作为标准库的核心部分，不仅局限于标准库函数；它可以利用操作系统特定的接口。

- rici

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你是在说 mmap 可以分配比 sbrk 更多的内存吗？如果是这样，那么 sbrk 分配内存的位置在哪里，mmap 分配内存的位置又在哪里呢？+1 -- 很好的回答。 - xilpex

sbrk在特定位置分配内存；每次调用sbrk时，您都会获得与上一次调用相邻的一块内存。历史上，这是堆和栈之间的边界（堆从数据段向上增长，栈从进程地址空间的末尾向下增长）。mmap通常无法分配更多的内存，但它确实可以使用不同的地址和更多选项进行分配（内存保护标志、后备存储、巨大的虚拟块（以减少页表大小）等）。 - rici

@petercordes：没错，我确实是这个意思。谢谢。 - rici

Answer 3

如果您在代码中使用了malloc，它将在开始时调用brk()，从堆中分配了0x21000字节，这就是您打印的地址。因此问题1：以下malloc的要求可以从预分配的空间中满足，所以这些malloc实际上没有调用brk，这是malloc中的一种优化。如果下一次您想要分配超出该边界的大小，则会调用新的brk（如果不大于mmap阈值）。

- elson2885150