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malloc:arena

news 2025/10/3 6:58:30

多线程应用中，并发调用malloc，malloc的实现中，多线程之间需要锁进行同步吗？

大部分时候是不需要的。每个线程有自己的tcache，有自己的arena，有自己的堆。

所以说，对于多线程的进程来说，多个线程有自己的堆，而不是共用一个堆。

glibc中的malloc管理，为了减小多线程之间并发调用malloc时的同步，引入了arena和tcache。

1arena

NARENAS_FROM_NCORES(n) ((n) * (sizeof (long) == 4 ? 2 : 8))

arena的个数是有限制的，最大值由宏NARENAS_FROM_NCORES定义，n是cpu个数。可以看到在32位系统上，arena的最大值是cpu个数乘以2，在64位系统上，arena最大值是cpu的个数乘以8。当arena个数小于最大值时，那么每个线程使用自己的arena，当arena个数大于最大值时，那么便会有arena被多个线程共用。

static mstate
_int_new_arena (size_t size)
{mstate a;heap_info *h;char *ptr;unsigned long misalign;h = new_heap (size + (sizeof (*h) + sizeof (*a) + MALLOC_ALIGNMENT),mp_.top_pad);...a = h->ar_ptr = (mstate) (h + 1);malloc_init_state (a);...top (a) = (mchunkptr) ptr;set_head (top (a), (((char *) h + h->size) - ptr) | PREV_INUSE);...__libc_lock_lock (a->mutex);return a;
}

当线程第一次调用malloc，会创建一个arena，通过函数_int_new_arena 实现。

通过new_heap申请一个堆内存，申请的堆内存初始化之后的情况如上图所示：

（1）开头存放struct heap_info结构体

（2）struct heap_info之后存放struct malloc_state，也就是arena

（3）struct heap_info之后是top chunk，堆内存初始化的时候，所有的内存都放到top chunk中。

第一次申请内存的时候，fast bin, small bin, unsorted bin, large bin都是空的，这个时候，就从top trunk中截取一段内存返回给用户，同时移动top trunk的位置。可以看到，随着内存不断的申请，top trunk会被切分成很多小块的内存。内存释放时，也就是用户调用free的时候，内存会根据大小放到不同的bin中。

2tcache

因为arena有最大个数限制，当线程个数大于最大值的时候，就会存在一个arena被多个线程共享的情况，为了减小这种竞争，引入了tcache。

申请内存的判断顺序：tcache --> fast bin --> small bin --> unsorted bin --> top chunk --> 系统调用

3main_arena

主线程申请内存时，从main_arena中申请。main_arena是静态定义的，不需要像子线程那样通过new_heap申请一个新的堆，然后在堆上初始化一个arena。初始的main_arena是内存的，top chunk也没有，所以第一次从哪个main_arena中申请内存时，需要从系统申请内存。

static struct malloc_state main_arena =
{.mutex = _LIBC_LOCK_INITIALIZER,.next = &main_arena,.attached_threads = 1
};

主线程的堆内存，通过sbrk来申请。

(gdb) bt
#0 __GI___sbrk (increment=135168) at ./misc/sbrk.c:37
#1 0x00007ffff78a25c6 in __glibc_morecore (increment=<optimized out>) at ./malloc/morecore.c:29
#2 0x00007ffff78a35f9 in sysmalloc (nb=nb@entry=656, av=av@entry=0x7ffff7a1ac80 <main_arena>) at ./malloc/malloc.c:2727
#3 0x00007ffff78a48dd in _int_malloc (av=av@entry=0x7ffff7a1ac80 <main_arena>, bytes=bytes@entry=640) at ./malloc/malloc.c:4407
#4 0x00007ffff78a49c9 in tcache_init () at ./malloc/malloc.c:3245
#5 0x00007ffff78a51de in tcache_init () at ./malloc/malloc.c:3241
#6 __GI___libc_malloc (bytes=72704) at ./malloc/malloc.c:3306
#7 0x00007ffff7caa93a in ?? () from /lib/x86_64-linux-gnu/libstdc++.so.6
#8 0x00007ffff7fc947e in call_init (l=<optimized out>, argc=argc@entry=1, argv=argv@entry=0x7fffffffe468, env=env@entry=0x7fffffffe478)
at ./elf/dl-init.c:70
#9 0x00007ffff7fc9568 in call_init (env=0x7fffffffe478, argv=0x7fffffffe468, argc=1, l=<optimized out>) at ./elf/dl-init.c:33
#10 _dl_init (main_map=0x7ffff7ffe2e0, argc=1, argv=0x7fffffffe468, env=0x7fffffffe478) at ./elf/dl-init.c:117
#11 0x00007ffff7fe32ca in _dl_start_user () from /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
#12 0x0000000000000001 in ?? ()
#13 0x00007fffffffe6d1 in ?? ()
#14 0x0000000000000000 in ?? ()
(gdb)