Linux进程的内存管理之malloc和mmap

我会带着你远行 2022-11-12 01:51 286阅读 0赞

通过《[Linxu进程的内存管理][Linxu]》，我们知道了进程内存的最小单位是vma，根据不同的用处又划分了不同类型的vma，比如

*  heap: 动态分配和释放的内存
 *  stack: 存放局部变量和实现函数调用
 *  mmap：文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射
 *  text,data,bss

这篇我们就看下进程动态申请的内存，我们知道进程动态申请内存的函数是malloc，这篇讲下其涉及到的vma，即heap和mmap。

## malloc ##

在linux标准libc库种，malloc函数的实现会根据分配内存的size来决定使用哪个分配函数，当size小于等于128KB时，调用**brk**分配；当size大于128KB时，调用**mmap**分配内存。size可由M\_MMAP\_THRESHOLD选项调节。如下图：

![a77bc90deba4a9e97c6d9c1e1f4b5f5c.png][]

*  sys\_brk分配过过程主要是调整brk位置
 *  sys\_mmap分配过程中主要是在堆和栈中间(memory mapping segment)找一段空闲的虚拟内存

![6fdd2c790f663d522b6d0bddd5580a39.png][]

## brk    ##

堆内存是由低地址向高地址方向增长。分配内存时，将heap段的最高地址指针mm->brk往高地址扩展。释放内存时，把mm->brk向低地址收缩。

![f1ed1dbd316de62f1440284f18cf6a37.png][]

完成这段申请后，只是开辟了一段区域，通常还不会立马分配物理内存，物理内存的分配会发生在访问时出现缺页异常后再处理，这个后续文章咱们再进一步分析。

SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)
    {
    ......
     //都需要页对齐，方便映射,mm->brk可以理解为end_brk，即当前进程堆的末尾
     newbrk = PAGE_ALIGN(brk);
     oldbrk = PAGE_ALIGN(mm->brk);
     if (oldbrk == newbrk)
      goto set_brk;
    
     /* Always allow shrinking brk. */
     if (brk <= mm->brk) {
      //对heap收缩，调用free就会满足这个条件，减少堆，执行unmap
      if (!do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk, &uf))
       goto set_brk;
      goto out;
     }
    
     /* Check against existing mmap mappings. */
     next = find_vma(mm, oldbrk);
     if (next && newbrk + PAGE_SIZE > vm_start_gap(next))
      goto out;
    
     /* Ok, looks good - let it rip. */
     //对heap扩展，是brk函数的核心，里面创建一个vma，然后instert全局链表中
     if (do_brk_flags(oldbrk, newbrk-oldbrk, 0, &uf) < 0)
      goto out;
    
    set_brk: //设置这次请求的brk到进程描述符mm->brk中
     mm->brk = brk;
     populate = newbrk > oldbrk && (mm->def_flags & VM_LOCKED) != 0;
     up_write(&mm->mmap_sem);
     userfaultfd_unmap_complete(mm, &uf);
     if (populate)
      mm_populate(oldbrk, newbrk - oldbrk);
     return brk;
    
    out:
     retval = mm->brk;
      //释放信号量
     up_write(&mm->mmap_sem);
     return retval;
    }

大概流程整理如下：

![cd86cd504744eaf0da823ea2c0a78f04.png][]

## mmap    ##

*  私有匿名映射：通常用于内存分配，堆，栈
 *  共享匿名映射：通常用于进程间共享内存，在内存文件系统中创建/dev/zero设备
 *  私有文件映射：通常用于加载动态库，代码段，数据段
 *  共享文件映射：通常用于文件读写和进程间通信

![f7e96bf24f40ae546bd7d1003f34db17.png][]

如果想进一步了解释，请参考文章《[告别“一页障目”][Link 1]》。

unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
       unsigned long len, unsigned long prot,
       unsigned long flags, vm_flags_t vm_flags,
       unsigned long pgoff, unsigned long *populate,
       struct list_head *uf)
    {
     ......
     //获取未映射区域
     addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
     if (offset_in_page(addr))
      return addr;
    
     addr = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff, uf);
     ......
     return addr;
    }

整理流程如下：

![0ecd878af201460c54cab08e1fab344f.png][]

![虚线阴影分割线][a202fbfc939e2e45d15acd2f1222da6a.png]

![9e2a0856aafef3255f4b99092a0f1028.png][]

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