为什么linux在分配动态内存时会占用一些额外的空间

Why does linux take some extra space when allocating dynamic memory?

本文关键字：空间 linux 分配 动态 内存 为什么      更新时间：2023-10-16

我正在做一个项目，该项目需要对大量字符串值进行快速字符串搜索。我决定使用Trie进行搜索，这种方法很快。这是与我的问题相关的项目的一部分:

class TTrieNode{
public:
    char c;
    bool data;
    TTrieNode *left, *mid, *right;  
    TTrieNode(){
        left = mid = right = NULL;
        c = data = 0;
    }
};
class TTrie{
private:
    TTrieNode *root;
    TTrieNode *insert(TTrieNode*n, char *s, int idx){
        char ch = s[idx];
        if(!n){
            n = new TTrieNode();
            n->c = ch;
        }
        if(ch < (n->c)){
            n->left = insert(n->left, s, idx);
        }else if(ch > (n->c)){
            n->right = insert(n->right, s, idx);
        }else if(idx+1 < strlen(s))
            n->mid = insert(n->mid, s, idx+1);
        else
            n->data = true;
        return n;
    }
public:
    TTrie() {
        root = NULL;
    }
    void insert(char *s) {
        root = insert(root, s, 0);
    }
};

一切都很好，直到我们在真实数据上测试了我的Trie。根据我对节点数量和每个节点占用的空间量的计算，它应该占用~ 40gb的RAM，但令我惊讶的是，它占用了~ 70gb。起初我认为这是因为每个节点的内存对齐(只是一个原始的猜测!)，所以我使用__attribute__((packed, aligned(1)))与我的TTrieNode定义!使用这个并没有产生很大的不同。经过大量测试后，我使用了一些手动内存分配。因此，每次我想要将内存分配给新节点时，我没有调用new，而是在程序开始时分配了~ 50gb的RAM，并使用以下自定义新函数:

TTrieNode *memLoc;
int memIdx;
void initMemory(){
    memLoc = (TTrieNode*) malloc(MAXNODES * sizeof(TTrieNode));
    memIdx = 0;
}
TTrieNode*myNew(){
    memLoc[memIdx].left =  memLoc[memIdx].right =  memLoc[memIdx].mid = NULL;
    memLoc[memIdx].c =  memLoc[memIdx].data = 0;
    return &memLoc[memIdx ++];
}

这是非常令人惊讶的，但这一次，程序占用了我预期的内存量!

现在我的问题是:

为什么每个new (malloc)都有一些额外的内存?是否有某种类型的指针在内核/用户级别为每个内存分配?我还没有在windows(或任何其他操作系统)中测试我的代码，但想知道这些操作系统上是否也有一些类似的行为

每个分配的块有8到16个字节的开销。在典型的x86_64分配器中，为了能够在释放内存块时正确地组织内存块，需要8字节的开销。还有一个16字节对齐要求，所以一个已经是16字节的倍数的块获得基本的8字节开销需要再浪费8字节。

典型的64位设计:每个块前面有一个8字节的控制字。大部分控制字需要给出该块的大小，因此可以释放它。底部的几个位可用于其他目的，因为大小可被16整除。这些目的中最重要的是知道前面的块是否空闲。当这个块被释放时，如果前一个块已经被释放，那么它将被合并。如果可能的话，它还会与下一个区块合并。但是能够做到这一点并不需要额外的信息。

常见的最小信息是令人惊讶的(和优雅的)，特别是每个块头必须包含一个位来说明前一个块是否空闲，但不需要一个位来说明当前块是否空闲。对于合并，您可以找到下一个块，因为您知道该块的大小。但是，如果信息很少，你就无法找到前一个块，除非你已经知道它是免费的，但你不需要找到它，除非它是免费的。因此，在一个空闲块的末尾有一个指向它的开始的指针(或同等大小)。因此，如果它是免费的，你可以从它的后继者导航到它。但如果它不是免费的，那就是使用数据的一部分，而不是开销。你可以通过找到继承者的继承者，看看它的前任是否自由来确定继承者是否自由。这比多使用一个备用位要好，但不一定更好。

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