上一篇咱們瞭解了內存在內核態是如何管理的，本篇文章咱們一塊兒來看下內存在用戶態的使用狀況，若是上一篇文章說是內核驅動工程師常常面對的內存管理問題，那本篇就是應用工程師常面對的問題。linux
相信你們都知道對用戶態的內存消耗對象是進程，應用開發者面對的全部代碼操做最後的落腳點都是進程，這也是說爲何內存和進程兩個知識點的重要性，理解了內存和進程兩大法寶，對全部軟件開發的理解都會有了全局觀（關於進程的知識之後再整理和你們分享）。web
下面閒話少說，開始本篇的內容——進程的內存消耗和泄漏算法
進程的虛擬地址空間VMA（Virtual Memory Area）
在linux操做系統中，每一個進程都經過一個task_struct的結構體描敘，每一個進程的地址空間都經過一個mm_struct描敘，c語言中的每一個段空間都經過vm_area_struct表示，他們關係以下 :shell
上圖中，task_struct中的mm_struct就表明進程的整個內存資源，mm_struct中的pgd爲頁表，mmap指針指向的vm_area_struct鏈表的每個節點就表明進程的一個虛擬地址空間，即一個VMA。一個VMA最終可能對應ELF可執行程序的數據段、代碼段、堆、棧、或者動態連接庫的某個部分。bash
VMA的分佈狀況能夠有經過pmap命令，及maps，smaps文件查看，以下圖：微信
另，VMA的具體內容可參考下圖。app
page fault的幾種可能性
咱們先來看張圖：編輯器
（此圖來源於宋寶華老師）ide
如，調用malloc申請100M內存，IA32下在0~3G虛擬地址中馬上就會佔用到大小爲100M的VMA，且符合堆的定義，這一段VMA的權限是R+W的。但因爲Lazy機制，這100M其實並無得到，這100M所有映射到一個物理地址相同的零頁，且在頁表中記錄的權限爲只讀的。當100M中任何一頁發生寫操做時，MMU會給CPU發page fault（MMU能夠從寄存器讀出發生page fault的地址；MMU能夠讀出發生page fault的緣由），Linux內核收到缺頁中斷，在缺頁中斷的處理程序中讀出虛擬地址和緣由，去VMA中查，發現是用戶程序在寫malloc的合法區域且有寫權限，Linux內核就真正的申請內存，頁表中對應一頁的權限也修改成R+W。工具
如，程序中有野指針飛到了此程序運行時進程的VMA之外的非法區域，硬件就會收到page fault，進程會收到SIGSEGV信號報段錯誤並終止。如，程序中有野指針飛到了此程序運行時進程的VMA之外的非法區域，硬件就會收到page fault，進程會收到SIGSEGV信號報段錯誤並終止。
如，代碼段在VMA中權限爲R+X，若是程序中有野指針飛到此區域去寫，則也會發生段錯誤。（另，malloc堆區在VMA中權限爲R+W，若是程序的PC指針飛到此區域去執行，一樣發生段錯誤。）
如，執行代碼段時會發生缺頁，Linux申請1頁內存，並從硬盤讀取出代碼段，此時產生了IO操做，爲major主缺頁。如，執行代碼段時會發生缺頁，Linux申請1頁內存，並從硬盤讀取出代碼段，此時產生了IO操做，爲major主缺頁。
（此圖來源於宋寶華老師）
綜上，page fault後，Linux會查VMA，也會比對VMA中和頁表中的權限，體現出VMA的重要做用。
malloc分配的原理
malloc的過程其實就是把VMA分配到各類段當中，這時候是沒有真正分配物理地址的。malloc 調用後，只是分配了內存的邏輯地址，在內核的mm_struct 鏈表中插入vm_area_struct結構體，沒有分配實際的內存。當分配的區域寫入數據是，引起頁中斷，創建物理頁和邏輯地址的映射。下圖表示了這個過程。
從操做系統角度來看，進程分配內存有兩種方式，分別由兩個系統調用完成：brk和mmap（不考慮共享內存）。
malloc小於128k的內存，使用brk分配內存，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應物理內存(所以沒有初始化)，第一次讀/寫數據時，引發內核缺頁中斷，內核才分配對應的物理內存，而後虛擬地址空間創建映射關係)
malloc大於128k的內存，使用mmap分配內存，在堆和棧之間找一塊空閒內存分配(對應獨立內存，並且初始化爲0)
內存的消耗VSS RSS PSS USS
首先，咱們評估一個進程的內存消耗都是指用戶空間的內存，不包括內核空間的內存消耗 。這裏咱們用工具 procrank先來看下Linux進程的內存佔用量 。
VSS -Virtual Set Size 虛擬耗用內存（包含共享庫佔用的內存）
RSS -Resident Set Size 實際使用物理內存（包含共享庫佔用的內存）
PSS -Proportional Set Size 實際使用的物理內存（比例分配共享庫佔用的內存）
USS -Unique Set Size 進程獨自佔用的物理內存（不包含共享庫佔用的內存）
下面再用一張圖來更好的解釋VSS,RSS,PSS,USS之間的區別：
有了對VSS,RSS,PSS,USS的瞭解，咱們趁熱打鐵來看下內存在進程中是如何被瓜分的：
（此圖來源於宋寶華老師）
1044，1045，1054三個進程，每一個進程都有一個頁表，對應其虛擬地址如何向real memory上去轉換。
process 1044的1，2，3都在虛擬地址空間，因此其VSS=1+2+3。
process 1044的4，5，6都在real memory上，因此其RSS=4+5+6。
分析real memory的具體瓜分狀況：
4 libc代碼段，1044，1045，1054三個進程都使用了libc的代碼段，被三個進程分享。
5 bash shell的代碼段，1044，1045都是bash shell，被兩個進程分享。
6 1044獨佔
因此，上圖中4+5+6並不全是1044進程消耗的內存，由於4明顯被3個進程指向，5明顯被2個進程指向，衍生出了PSS（按比例計算的駐留內存）的概念。進程1044的PSS爲4/3 +5/2 +6。
最後，進程1044獨佔且駐留的內存USS爲 6。
通常來講內存佔用大小有以下規律：VSS >= RSS >= PSS >= USS
【部份內容整理於宋寶華老師課程】
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