Linux進(jìn)程的內(nèi)存管理malloc和mmap怎么使用

malloc

在linux標(biāo)準(zhǔn)libc庫(kù)種，malloc函數(shù)的實(shí)現(xiàn)會(huì)根據(jù)分配內(nèi)存的size來(lái)決定使用哪個(gè)分配函數(shù)，當(dāng)size小于等于128KB時(shí)，調(diào)用brk分配；當(dāng)size大于128KB時(shí)，調(diào)用mmap分配內(nèi)存。size可由M_MMAP_THRESHOLD選項(xiàng)調(diào)節(jié)。如下圖：

• sys_brk分配過(guò)過(guò)程主要是調(diào)整brk位置

• sys_mmap分配過(guò)程中主要是在堆和棧中間(memory mapping segment)找一段空閑的虛擬內(nèi)存

brk

堆內(nèi)存是由低地址向高地址方向增長(zhǎng)。分配內(nèi)存時(shí)，將heap段的最高地址指針mm->brk往高地址擴(kuò)展。釋放內(nèi)存時(shí)，把mm->brk向低地址收縮。

完成這段申請(qǐng)后，只是開辟了一段區(qū)域，通常還不會(huì)立馬分配物理內(nèi)存，物理內(nèi)存的分配會(huì)發(fā)生在訪問(wèn)時(shí)出現(xiàn)缺頁(yè)異常后再處理，這個(gè)后續(xù)文章咱們?cè)龠M(jìn)一步分析。

SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)
{
......
 //都需要頁(yè)對(duì)齊，方便映射,mm->brk可以理解為end_brk，即當(dāng)前進(jìn)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) {
  //對(duì)heap收縮，調(diào)用free就會(huì)滿足這個(gè)條件，減少堆，執(zhí)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. */
 //對(duì)heap擴(kuò)展，是brk函數(shù)的核心，里面創(chuàng)建一個(gè)vma，然后instert全局鏈表中
 if (do_brk_flags(oldbrk, newbrk-oldbrk, 0, &uf) < 0)
  goto out;

set_brk: //設(shè)置這次請(qǐng)求的brk到進(jìn)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;
  //釋放信號(hào)量
 up_write(&mm->mmap_sem);
 return retval;
}

大概流程整理如下：

mmap

• 私有匿名映射：通常用于內(nèi)存分配，堆，棧

• 共享匿名映射：通常用于進(jìn)程間共享內(nèi)存，在內(nèi)存文件系統(tǒng)中創(chuàng)建/dev/zero設(shè)備

• 私有文件映射：通常用于加載動(dòng)態(tài)庫(kù)，代碼段，數(shù)據(jù)段

• 共享文件映射：通常用于文件讀寫和進(jìn)程間通信

如果想進(jìn)一步了解釋，請(qǐng)參考文章《告別“一頁(yè)障目”》。

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)
{
 ......
 //獲取未映射區(qū)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：