現象

1 壓力測試過程中，發現被測對象性能不夠理想，具體表現為：?
進程的系統態CPU消耗20，用戶態CPU消耗10，系統idle大約70?
2 用ps -o majflt,minflt -C program命令查看，發現majflt每秒增量為0，而minflt每秒增量大于10000。

初步分析
majflt代表major fault，中文名叫大錯誤，minflt代表minor fault，中文名叫小錯誤。
這兩個數值表示一個進程自啟動以來所發生的缺頁中斷的次數。
當一個進程發生缺頁中斷的時候，進程會陷入內核態，執行以下操作：?
檢查要訪問的虛擬地址是否合法?
查找/分配一個物理頁?
填充物理頁內容（讀取磁盤，或者直接置0，或者啥也不干）?
建立映射關系（虛擬地址到物理地址）?
重新執行發生缺頁中斷的那條指令?
如果第3步，需要讀取磁盤，那么這次缺頁中斷就是majflt，否則就是minflt。?
此進程minflt如此之高，一秒10000多次，不得不懷疑它跟進程內核態cpu消耗大有很大關系。

分析代碼
查看代碼，發現是這么寫的：一個請求來，用malloc分配2M內存，請求結束后free這塊內存。看日志，發現分配內存語句耗時10us，平均一條請求處理耗時1000us 。 原因已找到！?
雖然分配內存語句的耗時在一條處理請求中耗時比重不大，但是這條語句嚴重影響了性能。要解釋清楚原因，需要先了解一下內存分配的原理。?

內存分配的原理
從操作系統角度來看，進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共享內存）。brk是將數據段(.data)的最高地址指針_edata往高地址推，mmap是在進程的虛擬地址空間中（一般是堆和棧中間）找一塊空閑的。這兩種方式分配的都是虛擬內存，沒有分配物理內存。在第一次訪問已分配的虛擬地址空間的時候，發生缺頁中斷，操作系統負責分配物理內存，然后建立虛擬內存和物理內存之間的映射關系。?
在標準C庫中，提供了malloc/free函數分配釋放內存，這兩個函數底層是由brk，mmap，munmap這些系統調用實現的。?
下面以一個例子來說明內存分配的原理：

1進程啟動的時候，其（虛擬）內存空間的初始布局如圖1所示。其中，mmap內存映射文件是在堆和棧的中間（例如libc-2.2.93.so，其它數據文件等），為了簡單起見，省略了內存映射文件。_edata指針（glibc里面定義）指向數據段的最高地址。?
2進程調用A=malloc(30K)以后，內存空間如圖2：malloc函數會調用brk系統調用，將_edata指針往高地址推30K，就完成虛擬內存分配。你可能會問：只要把_edata+30K就完成內存分配了？事實是這樣的，_edata+30K只是完成虛擬地址的分配，A這塊內存現在還是沒有物理頁與之對應的，等到進程第一次讀寫A這塊內存的時候，發生缺頁中斷，這個時候，內核才分配A這塊內存對應的物理頁。也就是說，如果用malloc分配了A這塊內容，然后從來不訪問它，那么，A對應的物理頁是不會被分配的。?
3進程調用B=malloc(40K)以后，內存空間如圖3.?


4進程調用C=malloc(200K)以后，內存空間如圖4：默認情況下，malloc函數分配內存，如果請求內存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD選項調節），那就不是去推_edata指針了，而是利用mmap系統調用，從堆和棧的中間分配一塊虛擬內存。這樣子做主要是因為brk分配的內存需要等到高地址內存釋放以后才能釋放（例如，在B釋放之前，A是不可能釋放的），而mmap分配的內存可以單獨釋放。當然，還有其它的好處，也有壞處，再具體下去，有興趣的同學可以去看glibc里面malloc的代碼了。?
5進程調用D=malloc(100K)以后，內存空間如圖5.?
6進程調用free(C)以后，C對應的虛擬內存和物理內存一起釋放?


7進程調用free(B)以后，如圖7所示。B對應的虛擬內存和物理內存都沒有釋放，因為只有一個_edata指針，如果往回推，那么D這塊內存怎么辦呢？當然，B這塊內存，是可以重用的，如果這個時候再來一個40K的請求，那么malloc很可能就把B這塊內存返回回去了。?
8進程調用free(D)以后，如圖8所示。B和D連接起來，變成一塊140K的空閑內存。?
9默認情況下：當最高地址空間的空閑內存超過128K（可由M_TRIM_THRESHOLD選項調節）時，執行內存緊縮操作（trim）。在上一個步驟free的時候，發現最高地址空閑內存超過128K，于是內存緊縮，變成圖9所示。

真相大白
說完內存分配的原理，那么被測模塊在內核態cpu消耗高的原因就很清楚了：每次請求來都malloc一塊2M的內存，默認情況下，malloc調用mmap分配內存，請求結束的時候，調用munmap釋放內存。假設每個請求需要6個物理頁，那么每個請求就會產生6個缺頁中斷，在2000的壓力下，每秒就產生了10000多次缺頁中斷，這些缺頁中斷不需要讀取磁盤解決，所以叫做minflt；缺頁中斷在內核態執行，因此進程的內核態cpu消耗很大。缺頁中斷分散在整個請求的處理過程中，所以表現為分配語句耗時（10us）相對于整條請求的處理時間（1000us）比重很小。

解決辦法
將動態內存改為靜態分配，或者啟動的時候，用malloc為每個線程分配，然后保存在threaddata里面。但是，由于這個模塊的特殊性，靜態分配，或者啟動時候分配都不可行。另外，Linux下默認棧的大小限制是10M，如果在棧上分配幾M的內存，有風險。?
禁止malloc調用mmap分配內存，禁止內存緊縮。
在進程啟動時候，加入以下兩行代碼：
mallopt(M_MMAP_MAX, 0); // 禁止malloc調用mmap分配內存
mallopt(M_TRIM_THRESHOLD, -1); // 禁止內存緊縮
效果：加入這兩行代碼以后，用ps命令觀察，壓力穩定以后，majlt和minflt都為0。進程的系統態cpu從20降到10。

小結
可以用命令ps -o majflt minflt -C program來查看進程的majflt, minflt的值，這兩個值都是累加值，從進程啟動開始累加。在對高性能要求的程序做壓力測試的時候，我們可以多關注一下這兩個值。?
如果一個進程使用了mmap將很大的數據文件映射到進程的虛擬地址空間，我們需要重點關注majflt的值，因為相比minflt，majflt對于性能的損害是致命的，隨機讀一次磁盤的耗時數量級在幾個毫秒，而minflt只有在大量的時候才會對性能產生影響。

原文地址：頻繁分配釋放內存導致的性能問題的分析
http://bbs.csdn.net/topics/330179712

參考：
內存分配的原理__進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共享內存）。 

總結

以上是生活随笔為你收集整理的频繁分配释放内存导致的性能问题的分析--brk和mmap的实现的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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