转载自http://blog.csdn.net/chosen0ne/article/details/9338591

一、原理

tcmalloc就是一个内存分配器，管理堆内存，主要影响malloc和free，用于降低频繁分配、释放内存造成的性能损耗，并且有效地控制内存碎片。glibc中的内存分配器是ptmalloc2，tcmalloc号称要比它快。一次malloc和free操作，ptmalloc需要300ns，而tcmalloc只要50ns。同时tcmalloc也优化了小对象的存储，需要更少的空间。tcmalloc特别对多线程做了优化，对于小对象的分配基本上是不存在锁竞争，而大对象使用了细粒度、高效的自旋锁（spinlock）。分配给线程的本地缓存，在长时间空闲的情况下会被回收，供其他线程使用，这样提高了在多线程情况下的内存利用率，不会浪费内存，而这一点ptmalloc2是做不到的。

tcmalloc区别的对待大、小对象。它为每个线程分配了一个线程局部的cache，线程需要的小对象都是在其cache中分配的，由于是thread local的，所以基本上是无锁操作（在cache不够，需要增加内存时，会加锁）。同时，tcmalloc维护了进程级别的cache，所有的大对象都在这个cache中分配，由于多个线程的大对象的分配都从这个cache进行，所以必须加锁访问。在实际的程序中，小对象分配的频率要远远高于大对象，通过这种方式（小对象无锁分配，大对象加锁分配）可以提升整体性能。

线程级别cache和进程级别cache实际上就是一个多级的空闲块列表（Free List）。一个Free List以大小为k bytes倍数的空闲块进行分配，包含n个链表，每个链表存放大小为nk bytes的空闲块。在tcmalloc中，<=32KB的对象被称作是小对象，>32KB的是大对象。在小对象中，<=1024bytes的对象以8n bytes分配，1025<size<=32KB的对象以128n bytes大小分配，比如：要分配20bytes则返回的空闲块大小是24bytes的，这样在<=1024的情况下最多浪费7bytes，>1025则浪费127bytes。而大对象是以页大小4KB进行对齐的，最多会浪费4KB – 1 bytes。下图就是一个基本的free list的示意图：

实际上，一个free list（我称之为空闲块列表）就是一个数组索引多个链表，每个链表存放相同大小的块。可以根据要分配的内存大小size算出合适的块在free list中的下标，然后找到对应的空闲块链表。

tcmalloc的数据结构组织如下：

Thread-local free list：线程本地的空闲块cache，用于分配小对象。

Heap free list：中心free list，全局唯一，用于按页对齐分配大对象或者是将连续的多个页（被称作span）分割成多个小对象的空闲块分配给thread-local free list。

Page array：用于描述当前tcmalloc持有的内存状态，完成的是从page number到span的映射。

下面看一下小对象的分配：

（1）根据分配的size计算出对应的空闲块大小，从而确定对应空闲块链表，然后从thread local的free list进行分配。

（2）如果的空闲块链表非空，直接将头结点对应的空闲块返回并从空闲块链表中将其删除。

（3）如果空闲块链表是空的，需要从heap free list获取一个span。如果heap free list非空，则将span切分成多个相同大小的空闲块插入空闲块链表中，然后返回头结点。

（4）如果heap free list是空的，则调用sbrk或者mmap进行内存的分配一系列连续的内存页，作为span，然后切分成多个相同大小的空闲块插入空闲块链表，然后返回头结点。

大对象的分配就要简单多了，直接从heap free list分配4nKB大小的空闲块即可，如果heap free list不存在该大小的空闲块，通过系统调用分配连续的内存页。

tcmalloc还会对thread local cache进行垃圾收集，从而避免内存浪费。

二、安装和使用

tcmalloc属于gperftools，安装比较简单，需要注意一下，在64bit系统上需要先安装libunwind（http://download.savannah.gnu.org/releases/libunwind/libunwind-0.99-beta.tar.gz，只能是这个版本），这个库为基于64位CPU和操作系统的程序提供了基本的堆栈辗转开解功能，其中包括用于输出堆栈跟踪的API、用于以编程方式辗转开解堆栈的API以及支持C++异常处理机制的API，32bit系统不需安装。在安装过程中，可能出现下列错误：

是因为缺少编译选项U_FORTIFY_SOURCE，解决方法有两种：

1，尚未调用configure进行配置，则执行CPPFLAGS=-U_FORTIFY_SOURCE ./configure … 会自动将编译选项添加到Makefile中。

2，已经配置过，直接修改Makefile，查找CPPFLAGS然后添加上-U_FORTIFY_SOURCE。

然后就是安装gperftools，这个正常安装即可，默认安装到/usr/local/lib下，完成后调用lddconfig添加到动态链接库缓存，然后就可以使用了。

使用方法，很简单，在编译时加上tcmalloc动态链接库即可

源码不需任何修改，tcmalloc会自动替换掉glibc默认的malloc和free，简简单单的一条命令就可以提升不少性能，very good。

附录一：ptmalloc

Linux中malloc的早期版本是由Doug Lea实现的，它有一个重要问题就是在并行处理时多个线程共享进程的内存空间，各线程可能并发请求内存，在这种情况下应该如何保证分配和回收的正确和高效。Wolfram Gloger在Doug Lea的基础上改进使得Glibc的malloc可以支持多线程——ptmalloc，在glibc-2.3.x.中已经集成了ptmalloc2，这就是我们平时使用的malloc，目前ptmalloc的最新版本ptmalloc3。

ptmalloc实现了malloc()，free()以及一组其它的函数. 以提供动态内存管理的支持。分配器处在用户程序和内核之间，它响应用户的分配请求，向操作系统申请内存，然后将其返回给用户程序，为了保持高效的分配，分配器一般都会预先分配一块大于用户请求的内存，并通过某种算法管理这块内存。来满足用户的内存分配要求，用户释放掉的内存也并不是立即就返回给操作系统，相反，分配器会管理这些被释放掉的空闲空间，以应对用户以后的内存分配要求。也就是说，分配器不但要管理已分配的内存块，还需要管理空闲的内存块，当响应用户分配要求时，分配器会首先在空闲空间中寻找一块合适的内存给用户，在空闲空间中找不到的情况下才分配一块新的内存。为实现一个高效的分配器，需要考虑很多的因素。比如，分配器本身管理内存块所占用的内存空间必须很小，分配算法必须要足够的快。

在ptmolloc中，具有长生命周期的大内存分配使用mmap。具有短生命周期的内存分配使用brk，因为用mmap映射匿名页，当发生缺页异常时，linux内核为缺页分配一个新物理页，并将该物理页清0，一个mmap的内存块需要映射多个物理页，导致多次清0操作，很浪费系统资源，所以引入了mmap分配阈值动态调整机制，保证在必要的情况下才使用mmap分配内存。

 

附录二：

前文提到：如果heap free list是空的，则调用sbrk或者mmap进行内存的分配一系列连续的内存页。那么sbrk和与之相关的brk是做什么的呢?

参考http://blog.csdn.net/ugg/article/details/4344522

brk和sbrk主要的工作是实现虚拟内存到内存的映射。brk()是一个非常简单的系统调用，只是简单地改变mm_struct结构的成员变量brk（堆的当前最后地址）的值。sbrk不是系统调用，是C库函数，sbrk是对brk的简单封装。

如果程序 malloc的大小超出了库里所留存的空间，malloc函数族（realloc，calloc等）就调用sbrk函数将数据段的下界移动，sbrk函数在内核的管理下将虚拟地址空间映射到内存，供malloc函数使用。

C语言跟内存申请相关的函数主要有 alloc,calloc,malloc,free,realloc,sbrk等.其中alloc是向栈申请内存,因此无需释放.malloc分配的内存是位于堆中的,并且没有初始化内存的内容,因此基本上malloc之后,调用函数memset来初始化这部分的内存空间.calloc则将初始化这部分的内存,设置为0. 而realloc则对malloc申请的内存进行大小的调整.申请的内存最终需要通过函数free来释放. 而sbrk则是增加数据段的大小。

附录三：对以上内容的进一步总结

http://www.findfunaax.com/notes/file/170