glibc内存泄露以及TCmalloc 简单分析

最近开发一个私人程序时碰到了严重的内存问题，具体表现为：进程占用的内存会随着访问高峰不断上升，直到发生OOM被kill为止。我们使用valgrind等工具进行检查发现程序并无内存泄露，经过仔细调查我们发现时glibc的内存管理机制导致的，下次将发文对此深入解释，本文只列出核心的几个要素：

1. glibc在多线程内存分配的场景下为了减少lock contention，会new出很多arena出来，每个线程都有自己默认的arena，但是内存申请时如果默认arena被占用，则round-robin到下一个arena。

2. 每个arena的空间不可直接共享和互相借用，除非通过主arena释放给操作系统然后被各个辅助arena重新申请。

3. glibc归还内存给OS有一个很苛刻的条件就是top chunk必须是free的，否则，即使应用程序已经释放了大片内存，glibc也不会将这些内存归还给OS。

在我们的场景中常常是thread A alloc一片空间，最后由thread B free，所以这就造成各个arena之间及其不平衡，加上苛刻的内存归还条件，在整个程序运行过程中，占用内存几乎从未下降过，区别仅仅是缓慢上涨和快速上涨。

由此我们实验了tcmalloc，具体介绍见：http://google-perftools.googlecode.com/svn/trunk/doc/tcmalloc.html

安装过程见其中的INSTALL文件，下面简略说一下：

1. install libunwind : git clone git://git.sv.gnu.org/libunwind.git

2. download : http://google-perftools.googlecode.com/files/google-perftools-1.7.tar.gz

3. ./configure --enable-frame_pointers && make && sudo make install

4. sudo ldconfig

5. g++ .... -ltcmalloc (link static lib)

tcmalloc每个线程默认最大缓存16M空间，所以当线程多的时候其占用的空间还是非常可观的，在common.h中有几个参数是控制缓存空间的，可以做合理的修改（只可个人做实验，注意法律问题）：

1. 降低每个线程的缓存空间，可以修改common.h中的kMaxThreadCacheSize，比如2M

2. 降低所有线程的缓存空间的总大小，可以修改common.h中的kDefaultOverallThreadCacheSize，比如20M

3. 尽快将free的空间还给central list，可以将kMaxOverages改小一点，比如1

还可以定期让tcmalloc归还空间给OS，

 #include "google/malloc_extension.h"

MallocExtension::instance()->ReleaseFreeMemory();

实验结果证明，tcmalloc分配速度的确快，而且程序不再像以前那样内存只增不减。

上面Sanjay的文章已经对tcmalloc做了个大概的介绍，我看了一下tcmalloc的核心code，下面将其分配和释放的过程简单介绍一下：

线程申请资源：

1. 首先根据申请空间的大小从当前线程的可用内存块里面找（每个进程维护一组链表，每个链表代表一定大小的可用空间）

2. 如果step 1没有找到，则到central list里面查找（central list跟线程各自维护的list结构很像，为不同的size各自维护一组可用空间列表）

3. 如果step 2 central list也没有找到，则计算分配size个字节需要分配多少page（变量：class_to_pages）

4. 根据pagemap查找page对应的可用的span列表，如果找到了，则直接返回span，central list会将该span切割成合适的大小放入对应的列表中，然后交给thread cache

5. 如果step 4没有找到可用的span，则向OS直接申请，然后步骤同step 4。

注意的是tcmalloc向系统申请空间有三种方式：sbrk，mmap，/dev/mem文件，默认是三种都try的，一种不行换另外一种。

线程释放资源：

1. 释放某个object

2. 找到该object所在的span

3. 如果该span中所有object都被释放，则释放该span到对应的可用列表，在释放的过程中，尝试将该span跟左右spans merge成更大的span

4. 如果当前thread cache的free 空间大于指定预置，归还部分空间给central list

5. central list也会试图通过释放可用span列表的最后几个span来将不用的空间归还给OS

tcmalloc向OS申请/释放资源是以span为单位的。

tcmalloc里面不少实现值得称道，比如pagesize到void*的mapping方式，添加/移除链表元素的时候利用结构体内存布局直接赋值，span/page/item的内存层次结构等，值得一看。