一文读懂Linux内存分配策略
内容提要
本文以问答形式深入探讨了Linux内存系统的分配策略，包括虚拟地址空间的划分和用户空间内存的动态分配方式。malloc函数通过brk和mmap系统调用分配内存，其中brk方式不会归还内存给操作系统，而mmap方式会归还。预分配内存池可以减少系统调用和缺页中断的次数。
延伸解读
brk与mmap的权衡：为何不只用一种？
文章指出，brk分配的内存free后不归还操作系统，而是缓存在内存池中，这减少了系统调用和缺页中断，但可能产生内存碎片，且这种“泄露”难以用valgrind检测。mmap分配的内存free后会归还，但每次分配都涉及系统调用和缺页中断，CPU开销大。因此，malloc默认以128KB为阈值，大块内存用mmap，小块用brk，以平衡性能与内存利用率。
malloc(1)为何实际分配132KB？
文章通过实验展示，malloc(1)实际通过brk预分配了132KB的堆空间。这是因为malloc使用内存池策略，预分配更大空间以减少频繁系统调用。返回的地址比堆起始地址多16字节，用于存储内存块描述信息，free时通过偏移获取大小。这解释了malloc并非按需精确分配，而是有内部管理机制。
free释放内存：归还与否取决于分配方式
free释放内存时，是否归还操作系统取决于malloc的分配方式。通过brk分配的内存，free后仍保留在堆中，缓存在内存池供复用；通过mmap分配的内存，free后会真正归还。文章通过实验验证：申请128KB内存触发mmap，free后地址从maps中消失。这提醒开发者，内存释放并不总是立即减少进程占用。
Q&A
Linux内存系统是如何划分的？
Linux内存系统分为内核空间和用户空间，32位系统内核占1G，64位系统内核和用户空间各占128T。
malloc函数是如何分配内存的？
malloc函数通过brk和mmap系统调用分配内存，brk用于小于128KB的内存分配，mmap用于大于128KB的内存分配。
使用brk和mmap的内存分配有什么区别？
brk分配的内存不会归还给操作系统，而mmap分配的内存会在释放时归还。
malloc分配的虚拟内存会占用物理内存吗？
不会，malloc分配的虚拟内存未被访问时不会映射到物理内存。
为什么malloc会预分配内存池？
预分配内存池可以减少系统调用和缺页中断的次数，从而提高性能。
free函数释放内存时会归还给操作系统吗？
通过brk分配的内存不会归还，而通过mmap分配的内存会归还给操作系统。
