brk(）和sbrk()函数的使用

根据上一篇文章继续解释

brk和sbrk的定义

　　在man手册中定义了这两个函数：

 

1 #include <unistd.h>2 int brk(void *addr);3 void *sbrk(intptr_t increment);

 

　　手册上说brk和sbrk会改变program break的位置，program break被定义为程序data segment的结束位置。感觉这句话不是很好理解，从下面程序地址空间的分布来看，data segment后面还有bss segment，显然和手册说的不太一样。一种可能的解释就是手册中的data segment和下图中的data segment不是一个意思，手册中的data segment应该包含了下图中的data segment、bss segment和heap，所以program break指的就是下图中heap的结束地址。

 

　　有了前面program break的概念后，我们来看下brk和sbrk的作用。brk通过传递的addr来重新设置program break，成功则返回0，否则返回-1。而sbrk用来增加heap，增加的大小通过参数increment决定，返回增加大小前的heap的program break，如果increment为0则返回program break。

　　从上面的图可以看出heap的起始地址并不是bss segment的结束地址，而是随机分配的，下面我们用一个程序来验证下：

 

 1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3   4 int bss_end; 5  6 int main(void) 7 { 8     void *tret; 9         10     printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);11     tret = sbrk(0);12     if (tret != (void *)-1)13         printf ("heap start: %p\n", tret);14     return 0;15 }

 

　　运行的结果为：

　　从上面运行结果可以知道bss和heap是不相邻的，并且同一个程序bss的结束地址是固定的，而heap的起始地址在每次运行的时候都会改变。你可能会说sbkr(0)返回的是heap的结束地址，怎么上面确把它当做起始地址呢？由于程序开始运行时heap的大小是为0，所以起始地址和结束地址是一样的，不信我们可以用下面的程序验证下。

 

 1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdlib.h> 4   5 int bss_end; 6  7 int main(void) 8 { 9     void *tret;10     char *pmem;11         12     printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);13     tret = sbrk(0);14     if (tret != (void *)-1)15         printf ("heap1 start: %p\n", tret);16     17     if (brk((char *)tret - 1) == -1)18         printf("brk error\n");19         20     tret = sbrk(0);21     if (tret != (void *)-1)22         printf ("heap2 start: %p\n", tret);23     24     pmem = (char *)malloc(32);25     if (pmem == NULL) {26         perror("malloc");27         exit (EXIT_FAILURE);28     }29     printf ("pmem:%p\n", pmem);30     31     tret = sbrk(0);32     if (tret != (void *)-1)33         printf ("heap1 end: %p\n", tret);34     35     if (brk((char *)tret - 10) == -1)36         printf("brk error\n");37         38     tret = sbrk(0);39     if (tret != (void *)-1)40         printf ("heap2 end: %p\n", tret);41     return 0;42 }

 

　　运行结果为：

　　程序开始的时候打印出来heap的结束地址，并用这个地址减1来重新设置heap的结束地址，结果两次的结束地址居然是一样的，那说明这个结束地址就是heap的起始地址，再减小这个起始地址是不允许的，不过brk也不会报错。然后调用malloc获取内存，并打印出该内存的起始地址pmem，可以发现pmem与heap的起始地址相差8个字节，为什么会有8个字节没有？这8个字节应该是用来管理heap空间的（不深究）。最后再次获得heap的结束地址，并用这个地址减10来重新设置heap的结束地址，这下地址设置成功了。

堆的管理

　　上面的函数我们其实很少使用，大部分我们使用的是malloc和free函数来分配和释放内存。这样能够提高程序的性能，不是每次分配内存都调用brk或sbrk，而是重用前面空闲的内存空间。brk和sbrk分配的堆空间类似于缓冲池，每次malloc从缓冲池获得内存，如果缓冲池不够了，再调用brk或sbrk扩充缓冲池，直到达到缓冲池大小的上限，free则将应用程序使用的内存空间归还给缓冲池。

　　如果缓冲池需要扩充时，一次扩充多少呢？先运行下面的程序看看：

 1 #include <stdio.h> 2 #include <unistd.h> 3 #include <stdlib.h> 4   5 int main(void) 6 { 7         void *tret; 8         char *pmem; 9         10         tret = sbrk(0);11         if (tret != (void *)-1)12                 printf ("heap start: %p\n", tret);13                 14         pmem = (char *)malloc(64);  //分配内存15         if (pmem == NULL) {16                 perror("malloc");17                 exit (EXIT_FAILURE);18         }19         printf ("pmem:%p\n", pmem);20         tret = sbrk(0);21         if (tret != (void *)-1)22                 printf ("heap size on each load: %p\n", (char *)tret - pmem);23     free(pmem)24     return 0;25 }

　　运行结果如下：

　　从结果可以看出调用malloc(64)后缓冲池大小从0变成了0x20ff8，将上面的malloc(64)改成malloc(1)结果也是一样，只要malloc分配的内存数量不超过0x20ff8，缓冲池都是默认扩充0x20ff8大小。值得注意的是如果malloc一次分配的内存超过了0x20ff8，malloc不再从堆中分配空间，而是使用mmap()这个系统调用从映射区寻找可用的内存空间。

接下来就是要对用brk和mmap分配好内存进行管理了。因为brk()，mmap()是系统调用，如果每次调用malloc动态分配内存都执行一次系统调用，那开销是比较大的。再者，如果每次申请的内存较小，但是系统分配的内存都是固定大小的倍数(一般是4KB,一页)，这样就会有大量的浪费。所以malloc一般会实现一个内存堆来管理这些内存,malloc分配的内存都会以若干chunk的方式放到内存堆中。每次用户调用malloc动态分配内存的时候，malloc会先到内存堆里进行查找，如果内存堆里没有合适的空闲chunk，再利用brk/malloc系统调用分配一大块内存，然后把新分配的大块内存放到内存堆中，并生成一块合适的chunk块返回给用户。当用户用free释放chunk的时候，可能并不立即使用系统调用释放内存，而是将释放的chunk作为空闲chunk加入内存堆中，和其他的空闲chunk合并，便于下次分配的时候再次使用。
   
一般说来，释放的chunk如果标记为mmap申请的，则使用munmap释放。如果是brk申请的，进一步判断堆顶之下的空闲chunk是否大于128KB，如果是，则使用brk()释放。如果小于128KB，仍由内存堆维护。这样对brk()的使用就会有个问题，当brk()释放的内存块在堆顶之下，且内存块到堆顶之间还有未释放的内存。那么这块内存的释放将不会成功，从而形成内存空洞。

1. 无论是堆，还是栈都是对虚存的操作和管理。
2. 系统调用brk()和mmap()用来动态分配虚存空间，也就是表明这些虚存地址是合法的，访问的时候，系统应为其分配物理内存，而不是报错。
3. 堆的本质是动态申请的虚存空间。理论上可以用任何方式去管理这块空间。但数据结构--"堆"是最常用的一种，所以这块分配的空间常称为被堆。
4. 和栈不一样，堆的管理是在用户函数库中进行，malloc/free等函数是堆的入口。
5. 每次分配的内存块大小都会被记录下来，释放的时候只需要指定要释放的内存地址就行了。这就是为什么malloc的时候要指定大小，free的时候不用。
6. 堆和栈一样，仍然使用了物理内存的延迟分配策略。