20.5 Heap exhaustion

让我们讨论一下Heap耗尽问题，我不会像论文一样深入讨论，但是至少会演示问题是什么。

假设蓝色的矩形是内核，内核会有一个heap，它会从其中申请动态内存。在XV6中，我们并没有这样一个heap，我们在内核中没有内存分配器，所有内存都是静态分配的。但是任何其他的内核中，都会有heap，所以你在内核中可以调用malloc和free。可能通过heap分配的对象有socket对象，文件描述符对象和进程对象。所以，我们在XV6中静态分配的所有结构体，例如struct proc，struct fd，在正常的内核中都是动态分配的。所以当你打开一个新的文件描述符时，内核会通过heap分配一个文件描述符对象。

这里的问题是，你可以运行很多个应用程序，它们会打开很多个文件描述符，拥有很多个socket，它们会逐渐填满heap。

在某个时间点，heap会被填满，这时没有额外的空间可以用来分配一个新的对象。如果这时应用程序需要打开一个新的文件描述符，或者调用了fork使得内核想要在heap中分配一个新的proc结构体，heap中没有了空间。这时你该怎么办呢？这是一个不太常见的常见问题，但是如果你使劲用你的电脑，你或许会遇到所有内存都被使用了的情况，你的heap满了，并且没有进程调用free，因为它们都还在运行且想分配到更多的内存。所有的内核都会遇到这个问题，不管是C内核也好，Biscuit也好，任何内核都需要解决这个问题。

之所以这个问题对于我们来说是个严重的问题，是因为在很多内核中，你可以对malloc返回错误，实际上，XV6就是这么做的。但是在Go runtime中，当你调用new来分配一个Go对象，并没有error condition，new总是可以成功。让我们来讨论一些可以解决这里问题的方法。

• 第一种方法我们在XV6中见过。如果XV6不能找到一个空闲的block cache来保存disk block，它会直接panic。这明显不是一个理想的解决方案。这并不是一个实际的解决方案，所以我们称之为strawman。

• 另一个strawman方法是，当你在申请一块新的内存时，你会调用alloc或者new来分配内存，你实际上可以在内存分配器中进行等待。这实际上也不是一个好的方案，原因是你可能会有死锁。假设内核有把大锁，当你调用malloc，因为没有空闲内存你会在内存分配器中等待，那么这时其他进程都不能运行了。因为当下一个进程想要释放一些内存时，但是因为死锁也不能释放。对于内核中有大锁的情况，这里明显有问题，但是即使你的锁很小，也很容易陷入到这种情况：在内存分配器中等待的进程持有了其他进程需要释放内存的锁，这就会导致死锁的问题。

• 下一个strawman方法是，如果没有内存了就返回空指针，你检查如果是空指针就直接失败，这被称为bail out。但是bail out并不是那么直观，进程或许已经申请了一些内存，那么你需要删除它们，你或许做了一部分磁盘操作，比如说你在一个多步的文件系统操作中间，你只做了其中的一部分，你需要回退。所以实际中非常难做对。

当研究这部分，并尝试解决这个问题，Linux使用了前面两种方法，但是两种方法都有问题。实际中，内核开发人员很难将这里弄清楚。如果你对这个问题和相关的讨论感兴趣，可以Google搜索“too small to fail”，会有一篇小的文章讨论释放内存，在内存分配器中等待的复杂性。

对于Biscuit来说，strawman 2解决方案不可能实施，因为new不会fail，它总是能成功。除此之外，这里的方案都不理想，所以我们需要有一种更好的方法。