Linux内存模型

了解linux的内存模型，或许不能让你大幅度提高编程能力，但是作为一个基本知识点应该熟悉。坐火车外出旅行时，即时你对沿途的地方一无所知，仍然可以到达目标地。但是你对整个路途都很比较清楚的话，每到一个站都知道自己在哪里，知道当地的风土人情，对比一下所见所想，旅程可能更有趣一些。 

类似的，了解linux的内存模型，你知道每块内存，每个变量，在系统中处于什么样的位置。这同样会让你心情愉快，知道这些，有时还会让你的生活轻更松些。看看变量的地址，你可以大致断定这是否是一个有效的地址。一个变量被破坏了，你可以大致推断谁是犯罪嫌疑人。 

Linux的内存模型，一般为：

地址	作用	说明
>=0xc000 0000	内核虚拟存储器	用户代码不可见区域
<0xc000 0000	Stack（用户栈）	ESP指向栈顶
	↓   ↑	空闲内存
>=0x4000 0000	文件映射区
<0x4000 0000	↑	空闲内存
	Heap(运行时堆)	通过brk/sbrk系统调用扩大堆，向上增长。
	.data、.bss(读写段)	从可执行文件中加载
>=0x0804 8000	.init、.text、.rodata(只读段)	从可执行文件中加载
<0x0804 8000	保留区域

 

很多书上都有类似的描述，本图取自于《深入理解计算机系统》p603，略做修改。本图比较清析，很容易理解，但仍然有两点不足。下面补充说明一下：

 

1.         第一点是关于运行时堆的。

为说明这个问题，我们先运行一个测试程序，并观察其结果：

 

#include <stdio.h>

intmain(intargc, char* argv[])
{
    int first = 0;
    int* p0 = malloc(1024);
    int* p1 = malloc(1024 * 1024);
    int* p2 = malloc(512 * 1024 * 1024 );
    int* p3 = malloc(1024 * 1024 * 1024 );
    printf("main=%p print=%p/n", main, printf);
    printf("first=%p/n", &first);
    printf("p0=%p p1=%p p2=%p p3=%p/n", p0, p1, p2, p3);
    getchar();
    return 0;
}

 

运行后，输出结果为：

main=0x8048404 print=0x8048324

first=0xbfcd1264

p0=0x9253008 p1=0xb7ec0008 p2=0x97ebf008 p3=0x57ebe008

  main和print两个函数是代码段(.text)的，其地址符合表一的描述。

l         first是第一个临时变量，由于在first之前还有一些环境变量，它的值并非0xbfffffff，而是0xbfcd1264，这是正常的。

l         p0是在堆中分配的，其地址小于0x4000 0000，这也是正常的。

l         但p1和p2也是在堆中分配的，而其地址竟大于0x4000 0000，与表一描述不符。 

原因在于：运行时堆的位置与内存管理算法相关，也就是与malloc的实现相关。关于内存管理算法的问题，我们在后继文章中有详细描述，这里只作简要说明。在glibc实现的内存管理算法中，Malloc小块内存是在小于0x4000 0000的内存中分配的，通过brk/sbrk不断向上扩展，而分配大块内存，malloc直接通过系统调用mmap实现，分配得到的地址在文件映射区，所以其地址大于0x4000 0000。 

从maps文件中可以清楚的看到一点：

00514000-00515000 r-xp 00514000 00:00 0

00624000-0063e000 r-xp 00000000 03:01 718192     /lib/ld-2.3.5.so

0063e000-0063f000 r-xp 00019000 03:01 718192     /lib/ld-2.3.5.so

0063f000-00640000 rwxp 0001a000 03:01 718192     /lib/ld-2.3.5.so

00642000-00766000 r-xp 00000000 03:01 718193     /lib/libc-2.3.5.so

00766000-00768000 r-xp 00124000 03:01 718193     /lib/libc-2.3.5.so

00768000-0076a000 rwxp 00126000 03:01 718193     /lib/libc-2.3.5.so

0076a000-0076c000 rwxp 0076a000 00:00 0

08048000-08049000 r-xp 00000000 03:01 1307138    /root/test/mem/t.exe

08049000-0804a000 rw-p 00000000 03:01 1307138    /root/test/mem/t.exe

09f5d000-09f7e000 rw-p 09f5d000 00:00 0          [heap]

57e2f000-b7f35000 rw-p 57e2f000 00:00 0

b7f44000-b7f45000 rw-p b7f44000 00:00 0

bfb2f000-bfb45000 rw-p bfb2f000 00:00 0          [stack]

 

2.         第二是关于多线程的。

现在的应用程序，多线程的居多。表一所描述的模型无法适用于多线程环境。按表一所述，程序最多拥有上G的栈空间，事实上，在多线程情况下，能用的栈空间是非常有限的。为了说明这个问题，我们再看另外一个测试：

 

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
void* thread_proc(void* param)
{
    int first = 0;
    int* p0 = malloc(1024);
    int* p1 = malloc(1024 * 1024);
    printf("(0x%x): first=%p/n",    pthread_self(), &first);
    printf("(0x%x): p0=%p p1=%p /n", pthread_self(), p0, p1);
    return 0;
}

#define N 5
intmain(intargc, char* argv[])
{
    intfirst = 0;
    inti= 0;
    void* ret = NULL;
    pthread_t tid[N] = {0};
    printf("first=%p/n", &first);
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        pthread_create(tid+i, NULL, thread_proc, NULL);
    }
    for(i = 0; i < N; i++)
    {
        pthread_join(tid[i], &ret);
    }
    return 0;
}

 

运行后，输出结果为：

first=0xbfd3d35c

(0xb7f2cbb0): first=0xb7f2c454

(0xb7f2cbb0): p0=0x84d52d8 p1=0xb4c27008

(0xb752bbb0): first=0xb752b454

(0xb752bbb0): p0=0x84d56e0 p1=0xb4b26008

(0xb6b2abb0): first=0xb6b2a454

(0xb6b2abb0): p0=0x84d5ae8 p1=0xb4a25008

(0xb6129bb0): first=0xb6129454

(0xb6129bb0): p0=0x84d5ef0 p1=0xb4924008

(0xb5728bb0): first=0xb5728454

(0xb5728bb0): p0=0x84d62f8 p1=0xb7e2c008

 

我们看一下:

主线程与第一个线程的栈之间的距离：0xbfd3d35c - 0xb7f2c454=0x7e10f08=126M

第一个线程与第二个线程的栈之间的距离：0xb7f2c454 - 0xb752b454=0xa01000=10M

其它几个线程的栈之间距离均为10M。

也就是说，主线程的栈空间最大为126M，而普通线程的栈空间仅为10M，超这个范围就会造成栈溢出。

系统为进程分配数据空间有三种形式。

静态分配

整块静态分配空间，包括其中的所有数据实体，都是在进程创建时由系统一次性分配的（同时为UNIX称为Text的代码分配空间）。这块空间在进程运行期间保持不变。

初始化的和未初始化的实体分别放在初始化数据段和未初始化数据段（BSS）。后者和前者不同，在.o文件a.out文件里都不存在（只有构架信息），在进程的虚拟空间里才展开。

extern变量和static变量采用静态分配。

在进程创建时做静态分配，分配正文（text）段、数据段和栈空间。

正文和初始化数据是按a.out照样复制过来；未初始化数据按构架信息展开，填以0或空；栈空间的大小由链接器开关（具体哪个开关忘了）决定。

栈分配

整个栈空间已在进程创建时分配好。栈指针SP的初值的设定，确定了栈空间的大小。链接器的某个开关可以设定栈空间的大小。在进程运行期间，栈空间的大小不变。但是，在进程刚启动时，栈空间是空的，里面没有实体。在进程运行期间，对具体实体的栈分配是进程自行生成（压栈）和释放（弹出）实体，系统并不参与。

auto变量和函数参数采用栈分配。

只要压入的实体的总长度不超过栈空间尺寸，栈分配就与系统无关。如果超过了，就会引发栈溢出错误。

堆分配

当进程需要生成实体时，向系统申请分配空间；不再需要该实体时，可以向系统申请回收这块空间。

堆分配使用特定的函数（如malloc()等）或操作符（new）。所生成的实体都是匿名的，只能通过指针去访问。

对实体来说，栈分配和堆分配都是动态分配：实体都是在进程运行中生成和消失。而静态分配的所有实体都是在进程创建时全部分配好的，在运行中一直存在。

同为动态分配，栈分配与堆分配是很不相同的。前者是在进程创建时由系统分配整块栈空间，以后实体通过压栈的方式产生，并通过弹出的方式取消。不管是否产生实体，产生多少实体，栈空间总是保持原来的大小。后者并没有预设的空间，当需要产生实体时，才向系统申请正好能容纳这个实体的空间。当不再需要该实体时，可以向系统申请回收这块空间。因此，堆分配是真正的动态分配。

显然，堆分配的空间利用率最高。

栈分配和静态分配也有共性：整块空间是在进程创建时由系统分配的。但是，后者同时分配了所有实体的空间，而前者在进程启动时是空的。另外，栈上的实体和数据段里的实体都是有名实体，可以通过标识符来访问。

	静态分配	栈分配	堆分配
整块空间生成	进程创建时	进程创建时	用一点分配一点
实体生成时间	进程创建时	进程运行时	进程运行时
实体生成者	操作系统	进程	进程申请/系统实施
生命期	永久	临时	完全可控
有名/匿名	有名	有名	匿名
访问方式	能以标识访问	能以标识访问	只能通过指针访问
空间可否回收	不可	不可	可以

 

栈溢出的后果是比较严重的，或者出现Segmentation fault错误，或者出现莫名其妙的错误。