[科普中国]-内存碎片

产生

内存分配有静态分配和动态分配两种。
静态分配在程序编译链接时分配的大小和使用寿命就已经确定，而应用上要求操作系统可以提供给进程运行时申请和释放任意大小内存的功能，这就是内存的动态分配。
因此动态分配将不可避免会产生内存碎片的问题，那么什么是内存碎片？内存碎片即“碎片的内存”描述一个系统中所有不可用的空闲内存，这些碎片之所以不能被使用，是因为负责动态分配内存的分配算法使得这些空闲的内存无法使用，这一问题的发生，原因在于这些空闲内存以小且不连续方式出现在不同的位置。因此这个问题的或大或小取决于内存管理算法的实现上。

为什么会产生这些小且不连续的空闲内存碎片呢？

实际上这些空闲内存碎片存在的方式有两种：a.内部碎片 b.外部碎片 。
内部碎片的产生：因为所有的内存分配必须起始于可被 4、8 或 16 整除（视处理器体系结构而定）的地址或者因为MMU的分页机制的限制，决定内存分配算法仅能把预定大小的内存块分配给客户。假设当某个客户请求一个 43 字节的内存块时，因为没有适合大小的内存，所以它可能会获得 44字节、48字节等稍大一点的字节，因此由所需大小四舍五入而产生的多余空间就叫内部碎片。
外部碎片的产生： 频繁的分配与回收物理页面会导致大量的、连续且小的页面块夹杂在已分配的页面中间，就会产生外部碎片。假设有一块一共有100个单位的连续空闲内存空间，范围是0~99。如果你从中申请一块内存，如10个单位，那么申请出来的内存块就为0~9区间。这时候你继续申请一块内存，比如说5个单位大，第二块得到的内存块就应该为10~14区间。如果你把第一块内存块释放，然后再申请一块大于10个单位的内存块，比如说20个单位。因为刚被释放的内存块不能满足新的请求，所以只能从15开始分配出20个单位的内存块。现在整个内存空间的状态是0~9空闲，10~14被占用，15~24被占用，25~99空闲。其中0~9就是一个内存碎片了。如果10~14一直被占用，而以后申请的空间都大于10个单位，那么0~9就永远用不上了，变成外部碎片。1

分类内存碎片分为：内部碎片和外部碎片。

内部碎片内部碎片就是已经被分配出去（能明确指出属于哪个进程）却不能被利用的内存空间；

内部碎片是处于区域内部或页面内部的存储块。占有这些区域或页面的进程并不使用这个存储块。而在进程占有这块存储块时，系统无法利用它。直到进程释放它，或进程结束时，系统才有可能利用这个存储块。

单道连续分配只有内部碎片。多道固定连续分配既有内部碎片，又有外部碎片。

外部碎片外部碎片指的是还没有被分配出去（不属于任何进程），但由于太小了无法分配给申请内存空间的新进程的内存空闲区域。

外部碎片是出于任何已分配区域或页面外部的空闲存储块。这些存储块的总和可以满足当前申请的长度要求，但是由于它们的地址不连续或其他原因，使得系统无法满足当前申请。

多道可变连续分配只有外部碎片2。

减少方法内存碎是因为在分配一个内存块后，使之空闲，但不将空闲内存归还给最大内存块而产生的。最后这一步很关键。如果内存分配程序是有效的，就不能阻止系统分配内存块并使之空闲。即使一个内存分配程序不能保证返回的内存能与最大内存块相连接（这种方法可以彻底避免内存碎片问题），但你可以设法控制并限制内存碎片。所有这些作法涉及到内存块的分割。每当系统减少被分割内存块的数量，确保被分割内存块尽可能大时，你就会有所改进。

这样做的目的是尽可能多次反复使用内存块，而不要每次都对内存块进行分割，以正好符合请求的存储量。分割内存块会产生大量的小内存碎片，犹如一堆散沙。以后很难把这些散沙与其余内存结合起来。比较好的办法是让每个内存块中都留有一些未用的字节。留有多少字节应看系统要在多大程度上避免内存碎片。对小型系统来说，增加几个字节的内部碎片是朝正确方向迈出的一步。当系统请求1字节内存时，你分配的存储量取决于系统的工作状态。

如果系统分配的内存存储量的主要部分是 1 ～ 16 字节，则为小内存也分配 16 字节是明智的。只要限制可以分配的最大内存块，你就能够获得较大的节约效果。但是，这种方法的缺点是，系统会不断地尝试分配大于极限的内存块，这使系统可能会停止工作。减少最大和最小内存块存储量之间内存存储量的数量也是有用的。采用按对数增大的内存块存储量可以避免大量的碎片。例如，每个存储量可能都比前一个存储量大 20%。在嵌入式系统中采用“一种存储量符合所有需要”对于嵌入式系统中的内存分配程序来说可能是不切实际的。这种方法从内部碎片来看是代价极高的，但系统可以彻底避免外部碎片，达到支持的最大存储量。

将相邻空闲内存块连接起来是一种可以显著减少内存碎片的技术。如果没有这一方法，某些分配算法（如最先适合算法）将根本无法工作。然而，效果是有限的，将邻近内存块连接起来只能缓解由于分配算法引起的问题，而无法解决根本问题。而且，当内存块存储量有限时，相邻内存块连接可能很难实现。

有些内存分配器很先进，可以在运行时收集有关某个系统的分配习惯的统计数据，然后，按存储量将所有的内存分配进行分类，例如分为小、中和大三类。系统将每次分配指向被管理内存的一个区域，因为该区域包括这样的内存块存储量。较小存储量是根据较大存储量分配的。这种方案是最先适合算法和一组有限的固定存储量算法的一种有趣的混合，但不是实时的。

有效地利用暂时的局限性通常是很困难的，但值得一提的是，在内存中暂时扩展共处一地的分配程序更容易产生内存碎片。尽管其它技术可以减轻这一问题，但限制不同存储量内存块的数目仍是减少内存碎片的主要方法。

现代软件环境业已实现各种避免内存碎片的工具。例如，专为分布式高可用性容错系统开发的 OSE 实时操作系统可提供三种运行时内存分配程序：内核 alloc()，它根据系统或内存块池来分配；堆 malloc()，根据程序堆来分配； OSE 内存管理程序 alloc_region，它根据内存管理程序内存来分配。

从 许多方面来看，Alloc就是终极内存分配程序。它产生的内存碎片很少，速度很快，并有判定功能。你可以调整甚至去掉内存碎片。只是在分配一个存储量后，使之空闲，但不再分配时，才会产生外部碎片。内部碎片会不断产生，但对某个给定的系统和八种存储量来说是恒定不变的。

Alloc 是一种有八个自由表的固定存储量内存分配程序的实现方法。系统程序员可以对每一种存储量进行配置，并可决定采用更少的存储量来进一步减少碎片。除开始时以外，分配内存块和使内存块空闲都是恒定时间操作。首先，系统必须对请求的存储量四舍五入到下一个可用存储量。就八种存储量而言，这一目标可用三个 如果 语句来实现。其次，系统总是在八个自由表的表头插入或删除内存块。开始时，分配未使用的内存要多花几个周期的时间，但速度仍然极快，而且所花时间恒定不变。

堆 malloc() 的内存开销（8 ～ 16 字节/分配）比 alloc小，所以你可以停用内存的专用权。malloc() 分配程序平均来讲是相当快的。它的内部碎片比alloc()少，但外部碎片则比alloc()多。它有一个最大分配存储量，但对大多数系统来说，这一极限值足够大。可选的共享所有权与低开销使 malloc() 适用于有许多小型对象和共享对象的 C++ 应用程序。堆是一种具有内部堆数据结构的伙伴系统的实现方法。在 OSE 中，有 28 个不同的存储量可供使用，每种存储量都是前两种存储量之和，于是形成一个斐波那契（Fibonacci）序列。实际内存块存储量为序列数乘以 16 字节，其中包括分配程序开销或者 8 字节/分配（在文件和行信息启用的情况下为 16 字节）。

当你很少需要大块内存时，则OSE内存管理程序最适用。典型的系统要把存储空间分配给整个系统、堆或库。在有 MMU 的系统中，有些实现方法使用 MMU 的转换功能来显著降低甚至消除内存碎片。在其他情况下，OSE 内存管理程序会产生非常多的碎片。它没有最大分配存储量，而且是一种最先适合内存分配程序的实现方法。内存分配被四舍五入到页面的偶数——典型值是 4 k 字节。