根据上一篇文章继续解释

brksbrk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brksbrk会改变programbreak的位置,programbreak被定义为程序datasegment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,datasegment后面还有bsssegment,显然和手册说的不太一样。一种可能的解释就是手册中的datasegment和下图中的datasegment不是一个意思,手册中的datasegment应该包含了下图中的datasegmentbsssegmentheap,所以programbreak指的就是下图中heap的结束地址。

  有了前面programbreak的概念后,我们来看下brksbrk的作用。brk通过传递的addr来重新设置programbreak,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heapprogrambreak如果increment为0则返回programbreak

  从上面的图可以看出heap的起始地址并不是bsssegment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bssheap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pmemheap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mallocfree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brksbrk,而是重用前面空闲的内存空间。brksbrk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brksbrk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。

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