为什么 malloc 在我达到某个阈值之前不分配内存？

Question

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

int main(int argc, char *argv[])
{
        size_t sz = atol(argv[1]);
        char *arr = malloc(sz);

        sleep(10);
}

我编译了这段代码并尝试运行，使用pmap查看程序的内存映射。

当我使用像1024000 这样的大数字时，我会得到这样的映射：

3901:   ./alloc_program 1024000
0000560192f43000      4K r---- alloc_program
0000560192f44000      4K r-x-- alloc_program
0000560192f45000      4K r---- alloc_program
0000560192f46000      4K r---- alloc_program
0000560192f47000      4K rw--- alloc_program
0000560192fac000    132K rw---   [ anon ]
00007f75b69e9000   1004K rw---   [ anon ]     <---- I believe this is the allocated memory
00007f75b6ae4000    148K r---- libc-2.31.so
00007f75b6b09000   1504K r-x-- libc-2.31.so
00007f75b6c81000    296K r---- libc-2.31.so
00007f75b6ccb000      4K ----- libc-2.31.so
00007f75b6ccc000     12K r---- libc-2.31.so
00007f75b6ccf000     12K rw--- libc-2.31.so
00007f75b6cd2000     24K rw---   [ anon ]
00007f75b6ce7000      4K r---- ld-2.31.so
00007f75b6ce8000    140K r-x-- ld-2.31.so
00007f75b6d0b000     32K r---- ld-2.31.so
00007f75b6d14000      4K r---- ld-2.31.so
00007f75b6d15000      4K rw--- ld-2.31.so
00007f75b6d16000      4K rw---   [ anon ]
00007ffe2b26e000    132K rw---   [ stack ]
00007ffe2b318000     12K r----   [ anon ]
00007ffe2b31b000      4K r-x--   [ anon ]
ffffffffff600000      4K --x--   [ anon ]
 total             3496K

我认为标记的行是 malloc 分配的内存（也许我错了）。 但是当我使用像10240 这样的小数字时，我看不到任何分配：

3879:   ./alloc_program 10240
000055e428e26000      4K r---- alloc_program
000055e428e27000      4K r-x-- alloc_program
000055e428e28000      4K r---- alloc_program
000055e428e29000      4K r---- alloc_program
000055e428e2a000      4K rw--- alloc_program
000055e42a257000    132K rw---   [ anon ]
00007f102332c000    148K r---- libc-2.31.so
00007f1023351000   1504K r-x-- libc-2.31.so
00007f10234c9000    296K r---- libc-2.31.so
00007f1023513000      4K ----- libc-2.31.so
00007f1023514000     12K r---- libc-2.31.so
00007f1023517000     12K rw--- libc-2.31.so
00007f102351a000     24K rw---   [ anon ]
00007f102352f000      4K r---- ld-2.31.so
00007f1023530000    140K r-x-- ld-2.31.so
00007f1023553000     32K r---- ld-2.31.so
00007f102355c000      4K r---- ld-2.31.so
00007f102355d000      4K rw--- ld-2.31.so
00007f102355e000      4K rw---   [ anon ]
00007fff1d513000    132K rw---   [ stack ]
00007fff1d570000     12K r----   [ anon ]
00007fff1d573000      4K r-x--   [ anon ]
ffffffffff600000      4K --x--   [ anon ]
 total             2492K

1 - 为什么内存较小时不分配？

2 - 为什么分配的内存大小不完全相同？在第一次运行中，它显示大小为1004KB，而我只分配了1000KB。

Answer 1

1 - 为什么内存较小时不分配？

函数malloc 的任务是在应用程序需要时为应用程序提供内存。从理论上讲，malloc 可以按照您的建议将所有内存分配请求转发给操作系统的kernel，以便它仅充当内核内存分配器的包装器。但是，这样做有以下缺点：

1. 内核一次只提供大量内存，至少有page的内存，也就是根据操作系统的配置，一般至少4096字节。因此，如果应用程序只要求 10 字节的内存，就会浪费大量内存。
2. System calls 在 CPU 性能方面很昂贵。

由于这些原因，malloc 不直接将内存分配请求转发给内核，而是充当应用程序的内存分配请求和内核之间的中介，效率更高。它向内核请求大量内存，以便满足应用程序的许多较小的内存分配请求。

因此，只有在一次请求大量内存时，malloc 才会将该内存分配请求转发给内核。

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2 - 为什么分配的内存大小不完全相同？在第一次运行中，它显示大小为1004KB，而我只分配了1000KB。

malloc 分配器必须跟踪它授予应用程序的所有内存分配，并跟踪它已由内核授予的所有内存分配。为了存储这些信息，它需要一些额外的内存空间。这种额外的空间称为“开销”。

Answer 2

您在pmap 输出中看到的几乎可以肯定是malloc arena 满足更大请求所需的添加，而不是任何单个 请求。

arena 是分配分配的内存池，很有可能从特定大小开始，并且仅按需扩展。

例如，如果初始 arena 为 1000K，则任何未耗尽的分配都无需获得额外的 arena 空间。如果您确实耗尽了该空间，该进程将尝试从底层环境请求更多的竞技场，以便满足额外的需求。

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至于为什么尺寸不符合您的要求，有（至少）两个可能的原因。首先，arena 不仅仅是为您的目的分配的内存，它还包含控制信息，以便可以正确管理内存（大小、校验和、指针、空闲列表等）。

其次，malloc 可能会过度分配，因为期望这不会是耗尽当前竞技场的最后一个请求。一些内存分配策略甚至在请求更多时将当前竞技场大小加倍，以分摊这样做的成本。