向操作系统申请内存的两种方式：brk和mmap

先来熟悉下linux 的虚拟内存管理有几个关键概念： 
1、每个进程都有独立的虚拟地址空间，进程访问的虚拟地址并不是真正的物理地址； 
2、虚拟地址可通过每个进程上的页表(在每个进程的内核虚拟地址空间)与物理地址进行映射，获得真正物理地址； 
3、如果虚拟地址对应物理地址不在物理内存中，则产生缺页中断，真正分配物理地址，同时更新进程的页表；如果此时物理内存已耗尽，则根据内存替换算法淘汰部分页面至物理磁盘中。 
   
基于以上认识，进行了如下分析：
一、Linux 虚拟地址空间如何分布？
Linux 使用虚拟地址空间，大大增加了进程的寻址空间，由低地址到高地址分别为： 
1、只读段：该部分空间只能读，不可写；(包括：代码段、rodata 段(C常量字符串和#define定义的常量) )
2、数据段：保存全局变量、静态变量的空间； 
3、堆 ：就是平时所说的动态内存， malloc/new 大部分都来源于此。其中堆顶的位置可通过函数 brk 和 sbrk 进行动态调整。 
4、文件映射区域 ：如动态库、共享内存等映射物理空间的内存，一般是 mmap 函数所分配的虚拟地址空间。 
5、栈：用于维护函数调用的上下文空间，一般为 8M ，可通过 ulimit –s 查看。 
6、内核虚拟空间：用户代码不可见的内存区域，由内核管理(页表就存放在内核虚拟空间)。
下图是 32 位系统典型的虚拟地址空间分布(来自《深入理解计算机系统》)。

32 位系统有4G 的地址空间::

      其中 0x08048000~0xbfffffff 是用户空间，0xc0000000~0xffffffff 是内核空间，包括内核代码和数据、与进程相关的数据结构（如页表、内核栈）等。另外，%esp 执行栈顶，往低地址方向变化；brk/sbrk 函数控制堆顶_edata往高地址方向变化。

64位系统结果怎样呢？ 64 位系统是否拥有 2^64 的地址空间吗？ 
事实上， 64 位系统的虚拟地址空间划分发生了改变： 
1、地址空间大小不是2^32，也不是2^64，而一般是2^48。因为并不需要 2^64 这么大的寻址空间，过大空间只会导致资源的浪费。64位Linux一般使用48位来表示虚拟地址空间，40位表示物理地址，
这可通过 /proc/cpuinfo 来查看 
address sizes   : 40 bits physical, 48 bits virtual 
2、其中，0x0000000000000000~0x00007fffffffffff 表示用户空间， 0xFFFF800000000000~ 0xFFFFFFFFFFFFFFFF 表示内核空间，共提供 256TB(2^48) 的寻址空间。
这两个区间的特点是，第 47 位与 48~63 位相同，若这些位为 0 表示用户空间，否则表示内核空间。 
3、用户空间由低地址到高地址仍然是只读段、数据段、堆、文件映射区域和栈；

如何查看进程发生缺页中断的次数？

         用ps -o majflt,minflt -C program命令查看。

          majflt代表major fault，中文名叫大错误，minflt代表minor fault，中文名叫小错误。

          这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数。

发成缺页中断后，执行了那些操作？

当一个进程发生缺页中断的时候，进程会陷入内核态，执行以下操作： 
1、检查要访问的虚拟地址是否合法 
2、查找/分配一个物理页 
3、填充物理页内容（读取磁盘，或者直接置0，或者啥也不干） 
4、建立映射关系（虚拟地址到物理地址） 
重新执行发生缺页中断的那条指令 
如果第3步，需要读取磁盘，那么这次缺页中断就是majflt，否则就是minflt。 

内存分配的原理

从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap（不考虑共享内存）。

1、brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推；

    维护一个位置。brk/sbrk改变这个位置
                    brk改变绝对位置。
                    sbrk相对改变位置。

2、mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存。

void *mmap(
            void *start,//指定映射的虚拟地址 0由系统指定开始位置）
            size_t length,//映射空间大小 pagesize倍数
            int prot,//映射权限  PROT_NONE | PROT_READ PROT_WRITE PROT_EXEC
            int flags,//映射方式MAP_ANONYMOUS MAP_SHARED和MAP_PRIVATE二选一 等
            int fd,//文件描述符号
            offset_t off);//文件中的映射开始位置(必须是pagesize的倍数)
            
            映射方式：
                    内存映射：匿名映射。
                    文件映射：映射到某个文件
                                      只有文件映射最后两个参数有效。 

 这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

在标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk，mmap，munmap这些系统调用实现的。

下面以一个例子来说明内存分配的原理：

情况一、malloc小于128k的内存，使用brk分配内存，将_edata往高地址推(只分配虚拟空间，不对应物理内存(因此没有初始化)，第一次读/写数据时，引起内核缺页中断，内核才分配对应的物理内存，然后虚拟地址空间建立映射关系)，如下图：

 

1、进程启动的时候，其（虚拟）内存空间的初始布局如图1所示。

      其中，mmap内存映射文件是在堆和栈的中间（例如libc-2.2.93.so，其它数据文件等），为了简单起见，省略了内存映射文件。

      _edata指针（glibc里面定义）指向数据段的最高地址。 
2、进程调用A=malloc(30K)以后，内存空间如图2：

      malloc函数会调用brk系统调用，将_edata指针往高地址推30K，就完成虚拟内存分配。

      你可能会问：只要把_edata+30K就完成内存分配了？

      事实是这样的，_edata+30K只是完成虚拟地址的分配，A这块内存现在还是没有物理页与之对应的，等到进程第一次读写A这块内存的时候，发生缺页中断，这个时候，内核才分配A这块内存对应的物理页。也就是说，如果用malloc分配了A这块内容，然后从来不访问它，那么，A对应的物理页是不会被分配的。 
3、进程调用B=malloc(40K)以后，内存空间如图3。

情况二、malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存，而且初始化为0)，如下图：

4、进程调用C=malloc(200K)以后，内存空间如图4：

      默认情况下，malloc函数分配内存，如果请求内存大于128K（可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节），那就不是去推_edata指针了，而是利用mmap系统调用，从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。

      这样子做主要是因为::

      brk分配的内存需要等到高地址内存释放以后才能释放（例如，在B释放之前，A是不可能释放的，这就是内存碎片产生的原因，什么时候紧缩看下面），而mmap分配的内存可以单独释放。

      当然，还有其它的好处，也有坏处，再具体下去，有兴趣的同学可以去看glibc里面malloc的代码了。 
5、进程调用D=malloc(100K)以后，内存空间如图5；
6、进程调用free(C)以后，C对应的虚拟内存和物理内存一起释放。

7、进程调用free(B)以后，如图7所示：

        B对应的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个_edata指针，如果往回推，那么D这块内存怎么办呢？

当然，B这块内存，是可以重用的，如果这个时候再来一个40K的请求，那么malloc很可能就把B这块内存返回回去了。 
8、进程调用free(D)以后，如图8所示：

        B和D连接起来，变成一块140K的空闲内存。

9、默认情况下：

       当最高地址空间的空闲内存超过128K（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操作（trim）。在上一个步骤free的时候，发现最高地址空闲内存超过128K，于是内存紧缩，变成图9所示。

既然堆内内存brk和sbrk不能直接释放，为什么不全部使用 mmap 来分配，munmap直接释放呢？ 
        既然堆内碎片不能直接释放，导致疑似“内存泄露”问题，为什么 malloc 不全部使用 mmap 来实现呢(mmap分配的内存可以会通过 munmap 进行 free ，实现真正释放)？而是仅仅对于大于 128k 的大块内存才使用 mmap ？ 

        其实，进程向 OS 申请和释放地址空间的接口 sbrk/mmap/munmap 都是系统调用，频繁调用系统调用都比较消耗系统资源的。并且， mmap 申请的内存被 munmap 后，重新申请会产生更多的缺页中断。例如使用 mmap 分配 1M 空间，第一次调用产生了大量缺页中断 (1M/4K 次 ) ，当munmap 后再次分配 1M 空间，会再次产生大量缺页中断。缺页中断是内核行为，会导致内核态CPU消耗较大。另外，如果使用 mmap 分配小内存，会导致地址空间的分片更多，内核的管理负担更大。
        同时堆是一个连续空间，并且堆内碎片由于没有归还 OS ，如果可重用碎片，再次访问该内存很可能不需产生任何系统调用和缺页中断，这将大大降低 CPU 的消耗。 因此， glibc 的 malloc 实现中，充分考虑了 sbrk 和 mmap 行为上的差异及优缺点，默认分配大块内存 (128k) 才使用 mmap 获得地址空间，也可通过 mallopt(M_MMAP_THRESHOLD, <SIZE>) 来修改这个临界值。