Linux 虛擬地址空間

背景

　今天學習Linux 內存相關的知識時，看到了虛擬地址相關的內容，故記錄一下跟虛擬地址空間，堆和棧相關的知識．因爲所看的文章中，內核版本較老，故僅僅記錄一下，有關新版本內核的知識待後續學習中再進行整理．

Linux虛擬地址空間

在IA-32下，虛擬地址空間一般是一個４ＧＢ的地址塊,一般按３:1劃分爲用戶空間和內核空間．３：１不是惟一的選項，因爲邊界定義在源碼中定義爲常數，故選擇一種其餘的劃分方式基本上沒啥工做量，在某些場合，最好按對稱劃分（１：１）．能夠經過__page_offset進行定義．
但這並不意味着內核只有這麼多物理內存可用，僅表示他可支配這部分的地址空間，根據須要將其映射到物理內存．

虛擬內存段映射

虛擬地址經過也表映射到物理內存，由操做系統維護．
內核空間在頁表有較高的特權級別，用戶態程序訪問這些頁時，會致使頁錯誤（Page fault）
內核空間是持續存在的，並在全部進程中，均可以映射到一樣的物理內存．
內核代碼和數據老是可尋址，與此相反，用戶模式的地址空間映射隨着進程的切換不斷變化．

用戶進程段

用戶進程分段以下

名稱	存儲內容
棧	局部變量，函數參數,返回地址等
堆	動態分配的內存［　brk()　］
BSS段	未初始化或初始值爲０的全局變量和靜態局部變量
數據段	已初始化且初值非０的全局變量和靜態局部變量
代碼段	可執行代碼，字符串字面值，只讀變量

堆由程序員本身管理，顯示申請和釋放；
ｂｓｓ段，數據段和代碼段是可執行程序編譯時的分段
堆和棧是運行時的分段

分段詳細解釋

內核空間

　　內核老是駐留在內存中，是操做系統的一部分，不容許應用程序讀寫該區域,或直接調用內核代碼定義的函數．

棧（Ｓｔａｃｋ）

　　 棧又稱堆棧，由編譯器自動分配釋放，行爲相似數據結構中的棧(先進後出)。堆棧主要有三個用途：

１，　爲函數內部聲明的非靜態局部變量(C語言中稱「自動變量」)提供存儲空間。
２，　 記錄函數調用過程相關的維護性信息，稱爲棧幀(Stack Frame)或過程活動記錄(Procedure Activation Record)。它包括函數返回地址，不適合裝入寄存器的函數參數及一些寄存器值的保存。除遞歸調用外，堆棧並不是必需。由於編譯時可獲知局部變量，參數和返回地址所需空間，並將其分配於BSS段。
３，　 臨時存儲區，用於暫存長算術表達式部分計算結果或alloca()函數分配的棧內內存。

　　持續地重用棧空間有助於使活躍的棧內存保持在CPU緩存中，從而加速訪問。進程中的每一個線程都有屬於本身的棧。向棧中不斷壓入數據時，若超出其容量就會耗盡棧對應的內存區域，從而觸發一個頁錯誤。此時若棧的大小低於堆棧最大值RLIMIT_STACK(一般是8M)，則棧會動態增加，程序繼續運行。映射的棧區擴展到所需大小後，再也不收縮。

　　Linux中ulimit -s命令可查看和設置堆棧最大值，當程序使用的堆棧超過該值時, 發生棧溢出(Stack Overflow)，程序收到一個段錯誤(Segmentation Fault)。注意，調高堆棧容量可能會增長內存開銷和啓動時間。

堆棧既可向下增加(向內存低地址)也可向上增加, 這依賴於具體的實現。本文所述堆棧向下增加。

堆棧的大小在運行時由內核動態調整。

內存映射段(mmap)

內核將硬盤文件的內容直接映射到內存, 任何應用程序均可經過Linux的mmap()系統調用或Windows的CreateFileMapping()/MapViewOfFile()請求這種映射。內存映射是一種方便高效的文件I/O方式， 於是被用於裝載動態共享庫。
用戶也可建立匿名內存映射，該映射沒有對應的文件, 可用於存放程序數據。在 Linux中，若經過malloc()請求一大塊內存，C運行庫將建立一個匿名內存映射，而不使用堆內存。」大塊」 意味着比閾值 MMAP_THRESHOLD還大，缺省爲128KB，可經過mallopt()調整。

該區域用於映射可執行文件用到的動態連接庫。在Linux 2.4版本中，若可執行文件依賴共享庫，則系統會爲這些動態庫在從0x40000000開始的地址分配相應空間，並在程序裝載時將其載入到該空間。在Linux 2.6內核中，共享庫的起始地址被往上移動至更靠近棧區的位置。

從進程地址空間的佈局能夠看到，在有共享庫的狀況下，留給堆的可用空間還有兩處：一處是從.bss段到0x40000000，約不到1GB的空間；另外一處是從共享庫到棧之間的空間，約不到2GB。這兩塊空間大小取決於棧、共享庫的大小和數量。這樣來看，是否應用程序可申請的最大堆空間只有2GB？事實上，這與Linux內核版本有關。在上面給出的進程地址空間經典佈局圖中，共享庫的裝載地址爲0x40000000，這其實是Linux kernel 2.6版本以前的狀況了，在2.6版本里，共享庫的裝載地址已經被挪到靠近棧的位置，即位於0xBFxxxxxx附近，所以，此時的堆範圍就不會被共享庫分割成2個「碎片」，故kernel 2.6的32位Linux系統中，malloc申請的最大內存理論值在2.9GB左右。

堆（ｈｅａｐ）

堆用於存放進程運行時動態分配的內存段，可動態擴張或縮減。堆中內容是匿名的，不能按名字直接訪問，只能經過指針間接訪問。當進程調用malloc(C)/new(C++)等函數分配內存時，新分配的內存動態添加到堆上(擴張)；當調用free(C)/delete(C++)等函數釋放內存時，被釋放的內存從堆中剔除(縮減) 。

分配的堆內存是通過字節對齊的空間，以適合原子操做。堆管理器經過鏈表管理每一個申請的內存，因爲堆申請和釋放是無序的，最終會產生內存碎片。堆內存通常由應用程序分配釋放，回收的內存可供從新使用。若程序員不釋放，程序結束時操做系統可能會自動回收。

堆的末端由break指針標識，當堆管理器須要更多內存時，可經過系統調用brk()和sbrk()來移動break指針以擴張堆，通常由系統自動調用。

使用堆時常常出現兩種問題：1) 釋放或改寫仍在使用的內存(「內存破壞」)；2)未釋放再也不使用的內存(「內存泄漏」)。當釋放次數少於申請次數時，可能已形成內存泄漏。泄漏的內存每每比忘記釋放的數據結構更大，由於所分配的內存一般會圓整爲下個大於申請數量的2的冪次(如申請212B，會圓整爲256B)。

注意，堆不一樣於數據結構中的」堆」，其行爲相似鏈表。

堆和棧的區別

①管理方式：棧由編譯器自動管理；堆由程序員控制，使用方便，但易產生內存泄露。

②生長方向：棧向低地址擴展(即」向下生長」)，是連續的內存區域；堆向高地址擴展(即」向上生長」)，是不連續的內存區域。這是因爲系統用鏈表來存儲空閒內存地址，天然不連續，而鏈表從低地址向高地址遍歷。

③空間大小：棧頂地址和棧的最大容量由系統預先規定(一般默認2M或10M)；堆的大小則受限於計算機系統中有效的虛擬內存，32位Linux系統中堆內存可達2.9G空間。

④存儲內容：棧在函數調用時，首先壓入主調函數中下條指令(函數調用語句的下條可執行語句)的地址，而後是函數實參，而後是被調函數的局部變量。本次調用結束後，局部變量先出棧，而後是參數，最後棧頂指針指向最開始存的指令地址，程序由該點繼續運行下條可執行語句。堆一般在頭部用一個字節存放其大小，堆用於存儲生存期與函數調用無關的數據，具體內容由程序員安排。

⑤分配方式：棧可靜態分配或動態分配。靜態分配由編譯器完成，如局部變量的分配。動態分配由alloca函數在棧上申請空間，用完後自動釋放。堆只能動態分配且手工釋放。

⑥分配效率：棧由計算機底層提供支持：分配專門的寄存器存放棧地址，壓棧出棧由專門的指令執行，所以效率較高。堆由函數庫提供，機制複雜，效率比棧低得多。Windows系統中VirtualAlloc可直接在進程地址空間中分配一塊內存，快速且靈活。

⑦分配後系統響應：只要棧剩餘空間大於所申請空間，系統將爲程序提供內存，不然報告異常提示棧溢出。

操做系統爲堆維護一個記錄空閒內存地址的鏈表。當系統收到程序的內存分配申請時，會遍歷該鏈表尋找第一個空間大於所申請空間的堆結點，而後將該結點從空閒結點鏈表中刪除，並將該結點空間分配給程序。若無足夠大小的空間(可能因爲內存碎片太多)，有可能調用系統功能去增長程序數據段的內存空間，以便有機會分到足夠大小的內存，而後進行返回。，大多數系統會在該內存空間首地址處記錄本次分配的內存大小，供後續的釋放函數(如free/delete)正確釋放本內存空間。

此外，因爲找到的堆結點大小不必定正好等於申請的大小，系統會自動將多餘的部分從新放入空閒鏈表中。

⑧碎片問題：棧不會存在碎片問題，由於棧是先進後出的隊列，內存塊彈出棧以前，在其上面的後進的棧內容已彈出。而頻繁申請釋放操做會形成堆內存空間的不連續，從而形成大量碎片，使程序效率下降。

可見，堆容易形成內存碎片；因爲沒有專門的系統支持，效率很低；因爲可能引起用戶態和內核態切換，內存申請的代價更爲昂貴。因此棧在程序中應用最普遍，函數調用也利用棧來完成，調用過程當中的參數、返回地址、棧基指針和局部變量等都採用棧的方式存放。因此，建議儘可能使用棧，僅在分配大量或大塊內存空間時使用堆。

使用棧和堆時應避免越界發生，不然可能程序崩潰或破壞程序堆、棧結構，產生意想不到的後果。

bss段

BSS(Block Started by Symbol)段中一般存放程序中如下符號：

• 未初始化的全局變量和靜態局部變量
• 初始值爲0的全局變量和靜態局部變量(依賴於編譯器實現)
• 未定義且初值不爲0的符號(該初值即common block的大小)

  C語言中，未顯式初始化的靜態分配變量被初始化爲0(算術類型)或空指針(指針類型)。因爲程序加載時，BSS會被操做系統清零，因此未賦初值或初值爲0的全局變量都在BSS中。BSS段僅爲未初始化的靜態分配變量預留位置，在目標文件中並不佔據空間，這樣可減小目標文件體積。但程序運行時需爲變量分配內存空間，故目標文件必須記錄全部未初始化的靜態分配變量大小總和(經過start_bss和end_bss地址寫入機器代碼)。當加載器(loader)加載程序時，將爲BSS段分配的內存初始化爲0。在嵌入式軟件中，進入main()函數以前BSS段被C運行時系統映射到初始化爲全零的內存(效率較高)。

  注意，儘管均放置於BSS段，但初值爲0的全局變量是強符號，而未初始化的全局變量是弱符號。若其餘地方已定義同名的強符號(初值可能非0)，則弱符號與之連接時不會引發重定義錯誤，但運行時的初值可能並不是指望值(會被強符號覆蓋)。所以，定義全局變量時，若只有本文件使用，則儘可能使用static關鍵字修飾；不然須要爲全局變量定義賦初值(哪怕0值)，保證該變量爲強符號，以便連接時發現變量名衝突，而不是被未知值覆蓋。

  某些編譯器將未初始化的全局變量保存在common段，連接時再將其放入BSS段。在編譯階段可經過-fno-common選項來禁止將未初始化的全局變量放入common段。

  此外，因爲目標文件不含BSS段，故程序燒入存儲器(Flash)後BSS段地址空間內容未知。U-Boot啓動過程當中，將U-Boot的Stage2代碼(一般位於lib_xxxx/board.c文件)搬遷(拷貝)到SDRAM空間後必須人爲添加清零BSS段的代碼，而不可依賴於Stage2代碼中變量定義時賦0值。

數據段(Data)

數據段一般用於存放程序中已初始化且初值不爲0的全局變量和靜態局部變量。數據段屬於靜態內存分配(靜態存儲區)，可讀可寫。

數據段保存在目標文件中(在嵌入式系統裏通常固化在鏡像文件中)，其內容由程序初始化。例如，對於全局變量int gVar = 10，必須在目標文件數據段中保存10這個數據，而後在程序加載時複製到相應的內存。

數據段與BSS段的區別以下： 
 1) BSS段不佔用物理文件尺寸，但佔用內存空間；數據段佔用物理文件，也佔用內存空間。
 對於大型數組如int ar0[10000] = {1, 2, 3, ...}和int ar1[10000]，ar1放在BSS段，只記錄共有10000*4個字節須要初始化爲0，而不是像ar0那樣記錄每一個數據一、二、3...，此時BSS爲目標文件所節省的磁盤空間至關可觀。
 2) 當程序讀取數據段的數據時，系統會出發缺頁故障，從而分配相應的物理內存；當程序讀取BSS段的數據時，內核會將其轉到一個全零頁面，不會發生缺頁故障，也不會爲其分配相應的物理內存。
 運行時數據段和BSS段的整個區段一般稱爲數據區。某些資料中「數據段」指代數據段 + BSS段 + 堆。

代碼段(text)

代碼段也稱正文段或文本段，一般用於存放程序執行代碼(即CPU執行的機器指令)。通常C語言執行語句都編譯成機器代碼保存在代碼段。一般代碼段是可共享的，所以頻繁執行的程序只須要在內存中擁有一份拷貝便可。代碼段一般屬於只讀，以防止其餘程序意外地修改其指令(對該段的寫操做將致使段錯誤)。某些架構也容許代碼段爲可寫，即容許修改程序。

代碼段指令根據程序設計流程依次執行，對於順序指令，只會執行一次(每一個進程)；如有反覆，則需使用跳轉指令；若進行遞歸，則須要藉助棧來實現。

代碼段指令中包括操做碼和操做對象(或對象地址引用)。若操做對象是當即數(具體數值)，將直接包含在代碼中；如果局部數據，將在棧區分配空間，而後引用該數據地址；若位於BSS段和數據段，一樣引用該數據地址。

代碼段最容易受優化措施影響。

參考：
https://www.cnblogs.com/clove...