内存管理可以分为三个层次，自底向上分别是：

• 操作系统内核的内存管理
• 用户空间lib库的内存管理算法
• 应用程序从lib库申请内存后，根据应用程序本身的程序特性进行优化， 比如使用引用计数std::shared_ptr，内存池方式等等。

1. 用户空间内存管理

目前大部分用户控件程序使用glibc提供的malloc/free系列函数，而glibc使用的ptmalloc2在性能上远远弱后于google的tcmalloc和facebook的jemalloc。 而且后两者只需要使用LD_PRELOAD环境变量启动程序即可，甚至并不需要重新编译。

1.1 ptmalloc2

malloc是一个C库中的函数，malloc向glibc请求内存空间。glibc初始分配或者通过brk和sbrk或者mmap向内核批发内存，然后“卖”给我们malloc使用。

既然brk、mmap提供了内存分配的功能，直接使用brk、mmap进行内存管理不是更简单吗，为什么需要glibc呢？

因为系统调用，导致程序从用户态陷入内核态，比较消耗资源。为了减少系统调用带来的性能损耗，glibc采用了内存池的设计，增加了一个代理层，每次内存分配，都优先从内存池中寻找，如果内存池中无法提供，再向操作系统申请。

1.2 tcmalloc

tcmalloc 是google开发的内存分配算法库，用来替代传统的malloc内存分配函数，它有减少内存碎片，适用于多核，更好的并行性支持等特性。

要使用tcmalloc，只要将tcmalloc通过-ltcmalloc连接到应用程序即可。
也可以使用LD_PRELOAD在不是你自己编译的应用程序中使用：$ LD_PRELOAD="/usr/lib/libtcmalloc.so"

2. 内核空间内存管理

linux操作系统内核，将内存分为一个个页去管理。

2.1 页面管理算法–伙伴系统

在实际应用中，而频繁地申请和释放不同大小的连续页框，必然导致在已分配页框的内存块中分散了许多小块的空闲页框。这样，即使这些页框是空闲的，其他需要分配连续页框的应用也很难得到满足。

为了避免出现这种内存碎片，Linux内核中引入了伙伴系统算法(buddy system)。

2.1.1 Buddy（伙伴的定义）

满足以下三个条件的称为伙伴：
1）两个块大小相同；
2）两个块地址连续；
3）两个块必须是同一个大块中分离出来的；

2.1.2 Buddy算法的分配

假设要申请一个256个页框的块，先从256个页框的链表中查找空闲块，如果没有，就去512个页框的链表中找，找到了则将页框块分为2个256个页框的块，一个分配给应用，另外一个移到256个页框的链表中。如果512个页框的链表中仍没有空闲块，继续向1024个页框的链表查找，如果仍然没有，则返回错误。

2.1.3 Buddy算法的释放

内存的释放是分配的逆过程，也可以看作是伙伴的合并过程。页框块在释放时，会主动将两个连续的页框块合并为一个较大的页框块。

2.2 Slab机制

slab是Linux操作系统的一种内存分配机制。其工作是针对一些经常分配并释放的对象，如进程描述符等，这些对象的大小一般比较小，如果直接采用伙伴系统来进行分配和释放，不仅会造成大量的内碎片，而且处理速度也太慢。

而slab分配器是基于对象进行管理的，相同类型的对象归为一类(如进程描述符就是一类)，每当要申请这样一个对象，slab分配器就从一个slab列表中分配一个这样大小的单元出去，而当要释放时，将其重新保存在该列表中，而不是直接返回给伙伴系统，从而避免这些内碎片。slab分配器并不丢弃已分配的对象，而是释放并把它们保存在内存中。当以后又要请求新的对象时，就可以从内存直接获取而不用重复初始化。

2.3 内核中申请内存的函数

2.3.1 __get_free_pages

__get_free_pages函数是最原始的内存分配方式，直接从伙伴系统中获取原始页框，返回值为第一个页框的起始地址.

2.3.2 kmem_cache_alloc

kmem_cache_create/ kmem_cache_alloc是基于slab分配器的一种内存分配方式，适用于反复分配释放同一大小内存块的场合。首先用kmem_cache_create创建一个高速缓存区域，然后用kmem_cache_alloc从 该高速缓存区域中获取新的内存块。

2.3.3 kmalloc

kmalloc是内核中最常用的一种内存分配方式，它通过调用kmem_cache_alloc函数来实现。

kmalloc() 申请的内存位于物理内存映射区域，而且在物理上也是连续的，它们与真实的物理地址只有一个固定的偏移，因为存在较简单的转换关系，所以对申请的内存大小有限制，不能超过128KB。
较常用的flags()有：

GFP_ATOMIC —— 不能睡眠；
GFP_KERNEL —— 可以睡眠；
GFP_DMA —— 给 DMA 控制器分配内存，需要使用该标志。

2.3.4 vmalloc

vmalloc() 函数则会在虚拟内存空间给出一块连续的内存区，但这片连续的虚拟内存在物理内存中并不一定连续。由于 vmalloc() 没有保证申请到的是连续的物理内存，因此对申请的内存大小没有限制，如果需要申请较大的内存空间就需要用此函数了。

注意vmalloc和vfree时可以睡眠的，因此不能从中断上下问调用。

一般情况下，内存只有在要被 DMA 访问的时候才需要物理上连续，但为了性能上的考虑，内核中一般使用 kmalloc()，而只有在需要获得大块内存时才使用 vmalloc()。例如，当模块被动态加载到内核当中时，就把模块装载到由 vmalloc() 分配的内存上。