一、内存管理

用户层

STL 智能指针/容器自动分配、释放调用C++

C++ new/delete 调用C

C malloc/free 调用POSIX\Linux

POSIX brk/sbrk 调用内核

Linux mmap/munmap 调用内核

系统层

Kernal kmalloc/vmalloc 调用驱动

dirver get_free_page

二、进程映像

程序存储在磁盘上的可执行文件(脚本、二进制)，当执行程序时，系统会把可执行文件加载到内存形成进程，一个程序可以同时加载出多个进程

进程在内存中的分布情况就是进程映像，从低地址到高地址依次是：

text     代码段：     二进制指令、常量(数值、"字符串字面值"、被const修饰过的原data的数据)。只读，强制修改会段错误
data     数据段：     初始化过的全局变量、初始化过的静态局部变量
bss      静态数据段： 未初始化过的全局变量、未初始化过的静态局部变量。程序运行前会自动清0
heap     堆：        程序员手动管理的大量数据，管理麻烦、申请和释放受控，与指针配合使用，使用不当可能会内存泄漏、内存碎片
stack    栈：        局部变量、块变量。大小有限、自动申请、释放
environ  环境变量表： 所有的环境变量。每个进程都有一份，修改不会影响系统真正的环境变量的值
argv     命令行参数： 程序执行时附带的参数

练习1：打印出各个内存段的数据的地址，与该进程的maps文件中记录的内存分布比较

maps 文件可以查看某个进程的代码段、栈区、堆区、动态库、内核区对应的虚拟地址

maps文件只能显示简单的分区，smap文件可以显示每个分区的更详细的内存占用数据

查看maps：/proc/进程ID/maps

查看进程ID：

命令：ps -aux

函数：getpid()

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>

int Num = 10;
int Num1;

int main(int argc,const char* argv[])
{
    printf("text: %p\n",main);
    printf("read: %p\n","hehe");
    printf("data: %p\n",&Num);
    printf("bss:  %p\n",&Num1);
    printf("heap: %p\n",malloc(4));
    int num;
    printf("stack:%p\n",&num);
    extern char** environ;
    printf("env:  %p\n",*environ);
    printf("argv: %p\n",argv[0]);
    printf("gedit /proc/%u/maps\n",getpid());
    for(;;);
}

三、虚拟内存

1、32位系统会给每个进程分配4G的虚拟内存空间

2、进程、用户只能使用访问虚拟内存，无法直接使用真实的物理内存

3、虚拟内存只有与物理内存进行映射后才能使用，否则会产生段错误

4、虚拟内存与物理内存的映射和对应使用都是由操作系统动态维护

5、虚拟内存技术一方面是为了让系统更加安全，可以不暴露真实的物理内存地址给用户，又可以让一个进程出错后不影响其他进程和系统的运行，另一方面可让进程使用比实际物理内存更大的空间

6、4G的虚拟内存地址分成两个部分

[0~3G) 用户空间

[3G~4G) 内核空间

7、当进程\线程运行在内核空间时，称该进程\线程处于内核态，当进程\线程运行在用户空间时，称该进程\线程处于用户态

8、在内核态下，进程运行在内核空间，此时CPU可以执行任何指令，此时运行的代码不受任何限制，可以自由访问任何有效的地址

9、在用户态下，进程运行在用户空间，此时进程不能直接访问内核空间的数据，可以通过系统调用(API 系统接口函数)的方式切换到内核态，间接地访问内核空间的数据

10、对虚拟内存越界访问(访问没有映射过的虚拟内存)，导致段错误

四、映射虚拟内存与物理内存的函数

sbrk/brk/mmap/munmap

malloc分析

malloc使用：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
int main(int argc,const char* argv[])
{
    int* p = malloc(4);
    free(p);
}

关于 malloc 获取虚拟内存实际调用POSIX还是Linux提供的函数受到操作系统、编译器、字节数的影响，大致逻辑：

1、如果m请小于128Kb调用sbrk\brk

2、如果申请大于128Kb调用mmap\munmap

malloc 通过 brk() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，并不会把内存归还给操作系统，而是缓存在 malloc 的内存池中，待下次使用；

malloc 通过 mmap() 方式申请的内存，free 释放内存的时候，会把内存归还给操作系统，内存得到真正的释放。

注意：strace ./a.out 可以追踪程序的底层调用(用户层)

注意：系统内存映射是以页(1页=4096字节)为单位的

注意：sbrk、brk底层维护一个映射位置指针，该指针指向虚拟内存中映射过的内存的最后一个字节的下一个位置，可以通过移动该指针来实现映射内存和取消映射的效果

sbrk

void *sbrk(intptr_t increment);
    功能：通过增量increment来调整映射位置指针的位置，从而进行映射或取消映射
    increment：增量(字节为单位)
            0   获取映射位置指针的位置
            >0  映射内存
            <0  取消映射
    返回值：映射指针原来的位置

实例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,const char* argv[])
{
    int* ptr = sbrk(4);
    *(ptr+1023) = 1000;
    printf("%d\n",*(ptr+1023));

    sbrk(-4);
}

brk

int brk(void *addr);
    功能：通过修改映射指针指向addr的地址，从而进行映射或取消映射
    addr:
            > 原来位置 映射
            < 原来位置 取消映射
    返回值：成功返回0 失败返回-1

实例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,const char* argv[])
{
    int* base = sbrk(0);
    int ret = brk(base+1);
    *base = 1234;
    printf("%d %d\n",*base,ret);
}

总结：sbrk、brk都属于POSIX标准中的内存映射函数，都是可以单独进行映射、取消映射，但是配合使用最方便(sbrk映射、brk取消映射)

实例：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main(int argc,const char* argv[])
{
    int* arr = sbrk(0);

    for(int i=0; i<10; i++)
    {
        sbrk(4);
        arr[i] = i;
        printf("%d\n",arr[i]);
    }

//    brk(arr);
    sbrk(-40);
}

练习2：计算2~1000之间的素数，存储在堆内存中，要求尽可能少地浪费内存

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdbool.h>

bool is_prime(int num)
{
    for(int i=2; i<=num/2; i++)
    {
        if(0 == num%i) return false;    
    }
    return true;
}

int main(int argc,const char* argv[])
{
    int* arr = sbrk(0);
    int len = 0;

    for(int i=2; i<=1000; i++)
    {
        if(is_prime(i))
        {
            sbrk(4);
            arr[len++] = i;
        }
    }
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        printf("%d ",arr[i]);    
    }
    fflush(stdout);
    brk(arr);
}

mmap

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
    功能：映射虚拟内存与物理内存
    addr:映射内存的起始地址，可以自己指定，如果赋NULL则由操作系统指定
    length：要映射的字节数
    prot：映射后的权限
        PROT_EXEC   执行权限    PROT_EXEX | PROT_READ
        PROT_READ   读权限
        PROT_WRITE  写权限
        PROT_NONE   没有权限
    flags:映射标志
        MAP_FIXED  如果提供的addr无法映射，则直接失败
        MAP_ANONYMOUS 指定映射虚拟内存，不映射文件，fd、offset失效
        MAP_SHARED  对映射后的内存可以共享给其他进程
        MAP_PRIVATE 对映射后的内存只能当前进程使用
        注意：flags中必须在MAP_SHARED、MAP_PRIVATE之间二选一
    fd：文件描述符 可以让文件映射到物理内存，不需要映射文件直接写0
    offset：文件的偏移位置，从该位置开始映射文件
    返回值：成功返回映射后的内存首地址，失败返回(void*)-1

munmap

int munmap(void *addr, size_t length);
    功能：取消映射
    addr:映射的内存首地址
    length：取消映射的字节数
    返回值：成功返回0 失败返回-1

实例：

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>

int main(int argc,const char* argv[])
{
	int* ptr = mmap(NULL,4096,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,0,0);	
	if((void*)(-1) == (void*)ptr)
	{
		perror("mmap");
		return -1;
	}

	for(int i=0; i<1024; i++)
	{
		ptr[i] = i+1;
		printf("%d ",ptr[i]);
	}

	if(munmap(ptr,4096))
	{
		perror("munmap");	
	}
	printf("success\n");
}