簡述：Unix/Linux內存管理

1、底層結構

        採用三層結構，實際使用中能夠方便映射到兩層或者三層結構，以適用不一樣的硬件結構。最下層的申請內存函數get_free_page。之上有三種類型的內存分配函數：

        1.kmalloc類型。內核進程使用，基於切片（slab）技術，用於管理小於內存頁的內存申請。思想出發點和應用層的內存緩衝池同出一轍。但它針對內核結構，特別處理應用場景固定，不考慮釋放。

        2.vmalloc類型。內核進程使用。用於申請不連續內存。

        3.brk/mmap類型。用戶進程使用。malloc/free實現的基礎。

2、內存管理的相關函數圖

        STL  ->  內存自動分配和自動回收（C++）

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        C++  ->  new分配內存，delete回收內存

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          C  ->  malloc分配內存，free回收內存

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        Unix 系統函數 ->  sbrk/brk  分配和回收內存

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        Unix底層系統函數  ->  mmap/munmap分配回收

                                                                                        （用戶層）

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                                                                                        （內核層）

        Unix內核函數  kmalloc/vmalloc/get_free_page

3、進程與內存

        a.全部進程（執行的程序）都必須佔用必定數量的內存

        b.對任何一個普通進程來說，它都會涉及到5種不一樣的數據段，其內存空間劃分爲：

                1.代碼區    ——    存放代碼/函數，也就是說它是可執行程序的內存中的鏡像。（只讀）

                2.全局區    ——    保存全局變量，static局部變量。

                3.BSS段     ——    未初始化的全局變量，BSS段在main函數執行以前會自動清零

                4.棧區       ——    局部變量，包括函數的形參，棧區內存自動分配和自動回收。

                5.堆區       ——    程序員本身管理的區域，malloc/free操做的都是堆區。

                6.只讀常量區    ——    存放字符串常量和const修飾的全局變量

                注：只讀常量區和代碼區很是接近，有些書把只讀常量區和代碼區合併爲代碼區。

        c.進程如何組織這些區域？

                從小到大次序：代碼區、只讀常量區、全局區、BSS段、堆區、棧區

                堆區在離前面四個區不遠的地址空間開始，從小到大分配，棧區從3G開始，從大到小分配。主要爲了不堆區和棧區重疊。

        d.查看內存分配

                Linux把一切都看作成文件，內存也能夠在文件中查看。每一個進程都在/proc目錄下有一個對應的子目錄，以進程ID做爲子目錄名。進程ID是系統對進程的標識。能夠用ps-aux命令查看進程。

                cat /proc/進程ID/maps    能夠查看當前進程的內存狀況。

4、虛擬內存管理技術

        Linux使用了虛擬內存地址。每一個Linux中的進程都有0~4G的虛擬內存地址，就是0~4G的數字。虛擬內存地址在開始時只是一個數字，不對應任何的內存。虛擬內存地址必須先映射一段物理內存或硬盤上的文件才能被使用。所謂的分配內存其實就是讓虛擬內存地址映射一段物理內存。若是使用沒有映射的虛擬內存地址就會引起段錯誤。

        程序員所操做的內存地址都是虛擬內存地址，看不到物理內存地址。

        0~4G的虛擬內存地址中，0~3G是用戶使用，叫作「用戶空間」，3G~4G是內核使用的，叫作「內核空間」。用戶空間不能直接使用內核空間，但能夠經過內核空間提供的一些函數（系統調用）訪問內核空間。

        注：內存管理的基本單位是4096 byte （4K），叫內存頁。內存的映射和回收都是之內存頁做爲基本單位。

5、進程內存管理

        進程內存管理的對象是進程線性地址空間上的內存鏡像，這些內存鏡像其實就是進程使用的虛擬內存區域（memory region）。進程虛擬空間是個32或64位的「平坦」（獨立的連續區間）地址空間（空間的具體大小取決於體系結構）。要統一管理這麼大的平坦空間可絕非易事，爲了方便管理，虛擬空間被劃分爲許多大小可變的（但必須是4096byte的整數倍數）內存區域，這些區域在進程線性地址中像停車位同樣有序排列。這些區域的劃分原則是「將訪問屬性一致的地址空間存放在一塊兒」，所謂訪問屬性一致無非是指「可讀、可寫、可執行等」。

6、物理內存管理（頁管理）

        Linux內核管理物理內存是經過分頁機制實現的，它將整個內存劃分紅無數4K（在i386體系結構中）大小頁，從而分配和回收內存的基本單位即是內存頁了。利用分頁管利用助於靈活分配內存地址，由於分配時沒必要要求必須有大塊的連續內存，系統能夠東一頁、西一頁的湊出所須要的內存供進程使用。雖然如此，可是實際上系統使用內存仍是傾向於分配連續的內存塊，由於分配連續內存時，頁表不須要修改，所以能下降刷新率（頻繁刷新會很大增長訪問速度）。

7、brk/sbrk的虛擬內存管理

        void *sbrk(int size);

            size = 0    返回sbrk/brk上次的末尾地址，表明取當前的位置，

            size > 0    分配內存空間，返回上次的末尾地址，表明分配size字節的內存，

            size < 0    釋放空間，表明回收size字節內存。

        int brk(void* ptr);

            直接修改訪問的有效範圍的末尾地址，釋放空間造成一個完整的page,則該頁映射被解除

            返回：0    分配成功

                      -1    分配失敗

        經驗：sbrk在分配內存上簡單，brk在釋放內存上簡單。所以，開發大多數使用sbrk分配內存，使用brk釋放內存。

8、系統底層的內存映射（mmap/munmap）

#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
int munmap(void *start, size_t length);

        參數公共部分：

            start：指向欲映射的內存起始地址，一般設爲 NULL，表明讓系統自動選定地址，映射成功後返回該地址。

            length：表明將文件中多大的部分映射到內存。    映射空間大小。建議4k倍數，不是4K倍數，自動對齊。

        mmap獨有部分：

            prot：映射區域的保護方式。能夠爲如下幾種方式的組合:

                1.PROT_EXEC 映射區域可被執行

                2.PROT_READ 映射區域可被讀取    

                3.PROT_WRITE 映射區域可被寫入

                4.PROT_NONE 映射區域不能存取

            flags：影響映射區域的各類特性。在調用mmap()時必需要指定MAP_SHARED 或MAP_PRIVATE。

                1.MAP_FIXED 若是參數start所指的地址沒法成功創建映射時，則放棄映射，不對地址作修正。一般不鼓勵用此標誌。

                2.MAP_SHARED對映射區域的寫入數據會複製迴文件內，並且容許其餘映射該文件的進程共享。

                3.MAP_PRIVATE 對映射區域的寫入操做會產生一個映射文件的複製，即私人的「寫入時複製」（copy on write）對此區域做的任何修改都不會寫回原來的文件內容。

                4.MAP_ANONYMOUS創建匿名映射。此時會忽略參數fd，不涉及文件，並且映射區域沒法和其餘進程共享。

                    5.MAP_DENYWRITE只容許對映射區域的寫入操做，其餘對文件直接寫入的操做將會被拒絕。

                    6.MAP_LOCKED 將映射區域鎖定住，這表示該區域不會被置換（swap）。

            fd：要映射到內存中的文件描述符。若是使用匿名內存映射時，即flags中設置了MAP_ANONYMOUS，fd設爲-1。有些系統不支持匿名內存映射，則可使用fopen打開/dev/zero文件，而後對該文件進行映射，能夠一樣達到匿名內存映射的效果。

            offset：文件映射的偏移量，一般設置爲0，表明從文件最前方開始對應，offset必須是分頁大小的整數倍。

        返回值：

            若映射成功則返回映射區的內存起始地址，不然返回MAP_FAILED(－1)，錯誤緣由存於errno 中。

9、errno錯誤代碼

           1.EBADF 參數fd 不是有效的文件描述詞

            2.EACCES 存取權限有誤。若是是MAP_PRIVATE 狀況下文件必須可讀，使用MAP_SHARED則要有PROT_WRITE以及該文件要能寫入。

            3.EINVAL 參數start、length 或offset有一個不合法。

            4.EAGAIN 文件被鎖住，或是有太多內存被鎖住。

            5.ENOMEM 內存不足。