linux进程内存相关

3种地址：虚拟地址、物理地址、逻辑地址

物理地址：内存的电路地址，对应内存地址线上的高低电平，物理可见的。

虚拟地址： 分页机制 的产物，也叫线性地址，是进程能看见的地址。

逻辑地址： 分段机制 的产物，属于inter cpu的历史遗留问题，linux可以当做不存在。

3种地址的转换：进程访问逻辑地址，linux内核根据分段机制装换成虚拟地址，然后把进程的页表和虚拟地址都告诉cpu，cpu就可以根据分页机制将虚拟地址装换成物理地址，然后访问内存。

linux内核中巧妙地屏蔽里分段机制，就是逻辑地址等于虚拟地址，访问内存只需要利用分页机制把虚拟地址转换成物理地址。

linux会为每个进程创建自己的虚拟地址空间，就是进程地址空间，64位系统就是128T的内存空间。需要注意的是，虚拟地址就是假的，一开始不和物理地址对应，也就是说不占用物理内存，只有当虚拟地址有写入 *** 作是，内核会触发缺页，分配真实的物理地址给虚拟地址。物理地址的管理可参考 内核内存管理

从进程空间看，用户态闲置内存有3块，Stack、Memory Mapping Region、Heap，Stack是程序函数调用运行时需要的，不可控，能自由分配的内存就剩Memory Mapping Region、Heap了，linux系统提供的内存分配函数就是针对这两个区域的。

Heap *** 作函数：int brk(void *addr)、void *sbrk(intptr_t increment)

Memory Mapping Region *** 作函数：mmap()、munmap()

当然进程可以直接使用系统调用去申请内存，但是如果不管理的话，经过大量的申请和释放，会把进程空间切割的乱七八糟，导致不能申请大块的连续空间，为此就出现了内存管理模块，封装了系统调用，对进程提供malloc和free等高级函数。实际上，除了一些特殊程序，我们也很少用系统调用，一般都是使用内存管理模块提供的malloc和free，关系如下图：

内存管理模块用各种好处，例如不会每次 *** 作都去执行系统调用，减少内存碎片的产生等等。

当然也有很多实现方式，例如常用的glibc的Ptmalloc，google的tcmalloc，facebook的jemalloc等。各有各的应用场景，blablabla....

使用时，gcc默认会链接glibc的，如果想使用其他lib，gcc链接时指定就能覆盖掉glibc的。

我们重点讲Ptmalloc，从而启发程序员在写程序时多考虑下内存分配情况，可以选择或自己实现适合自己程序的内存管理lib。

Ptmalloc的历史发展，blablabla......，Ptmalloc采取内存池管理，进程malloc时，通过brk（小于128K的内存）、mmap（大内存）从系统获取地址空间，给进程使用，进程free时，不会立即通过brk、munmap将地址空间还给系统，会自己维护起来，叫做空闲内存，这些空闲内存在进程再次malloc时，还会被分出去，并且空闲内存会在特定条件下合并起来还给系统。

内存分配区，管理了一片内存，对外分发和回收，可以理解为一个内存池，分main arena和non main arena。

main arena：最早的分配区，管理着所有可分配的内存，通过brk，mmap等系统调用向系统申请内存。注意只有main arena可以 *** 作Heap。

non main arena：由于多线程的出现，如果多有线程都 *** 作main arena就会有竞争，需要加锁控制，所以出现了non main arena，通过mmap向main arena申请一大块内存，然后自己管理，可以理解为内存分销商。

只有主线程在main arena上申请内存，子线程在non main arena上，non main arena的个数是有上限的，所以non main arena允许多个子线程共用，这样就涉及到加锁，所以程序涉及应避免子线程个数太多。

进程申请到的一块内存叫做一个内存片，arena内部使用chunk数据结构来描述内存片，包括进程正在使用的内存片，和进程free掉的空闲内存片

A：是否main arena内存

M：使用mmap内存

P：上一块是否被使用

size of previous chunk：上一块没有被使用时，表示上块长度，被使用时是上块用来存User data的。

Size of chunk：就是下一块的size of previous chunk，释放时填上本块长度，供下块合并用。

分给进程的内存片arena可以不管，但是进程free回来的，arena需要通过一定方式组织起来，方便进程再次使用。组织方式有下面几种：

bins是个数组，包含128个bin，每个bin是个链表，分small bin和large bin两种，各64个，small bin中chunk大小固定，两个相邻的small bin中的chunk大小相差8bytes，large bin中chunk大小是一定范围内的，其中的chunk按大小排列。

空闲chunk按大小选择合适的bin，按新旧顺序挂到链表上，优先分配旧的chunk。

不大于max_fast （默认值为64B）的chunk被释放后，首先会被放到fast bins 中，fast bins中的chunk并不改变它的使用标志P。这样也就无法将它们合并，当需要给用户分配的chunk小于或等于max_fast时，ptmalloc首先会在fast bins中查找相应的空闲块。在特定的时候，ptmalloc会遍历fast bins中的chunk，将相邻的空闲chunk进行合并，并将合并后的chunk加入unsorted bin中。

进行malloc时，如果在fast bins中没有找到合适的chunk，则ptmalloc会先在unsorted bin中查找合适的空闲chunk，如果unsorted bin不能满足分配要求。malloc便会将unsorted bin中的chunk加入bins中。然后再从bins中继续进行查找和分配过程。从这个过程可以看出来，unsorted bin可以看做是bins的一个缓冲区，增加它只是为了加快分配的速度。

前面的bin中都是回收回来的内存，top chunk才是内存的初始来源，每个arena都有一个top chunk，用来管理Heap的，Heap会在arena第一次分配内存时初始化，会分配一块(chunk_size + 128K) align 4K的空间（132K）作为初始的Heap，top chunk占据整个空间，每次分配会在低地址出切出一片，如下图：

回收时，只有和top chunk相连的内存才能和top chunk合并，才能进而还给系统。

子线程Heap：在main arena中mmap出64M的空间，叫做sub-heap，再在sub-heap上初始化Heap。

主线程的Heap才是真Heap，使用进程Heap，使用brk申请内存。

子线程的heap不够用时，会在申请新的sub-heap，和老的sub-heap单向链表连起来，top chunk会搬到新sub-heap上。

描述mmap出来的内存，单独管理，free时按阈值来决定是否munmap，有动态调整阈值功能，防止太频繁的mmap和munmap。本文不关注。

即最后一次small request中因分割而得到的剩余部分，它有利于改进引用局部性，也即后续对 small chunk 的 malloc 请求可能最终被分配得彼此靠近。

当用户请求 small chunk而无法从small bin和unsorted bin得到时，会在large bin中找最合适的chunk，然后做切割，返回给用户的User chunk，剩下的是Remainder chunk添加到unsorted bin中。这一Remainder chunk就将成为last remainder chunk。

下一块为高地址，前一块为低地址。

Glibc内存管理 华庭（庄明强）

这种方式中，将用户程序的地址空间，注意，是 用户程序的地址空间 分为若干个固定大小的区域，成为“页”或“页面”。我们可以知道，这也页其实是不存在的，只是一种划分内存空间的方法。也就是说，这种方式将用户的程序 “肢解” 了，分成很多个小的部分，每个部分称为一个“页”。

将逻辑地址的前n位作为页号，后面32-n位作为页内偏移量。

由于进程的最后一页经常装不满一个块，从而形成了不可利用的碎片，称之为 “页内碎片” 。

作用：实现页号到物理号的地址映射。

页表是记录逻辑空间（虚拟内存）中每一页在内存中对应的物理块号。但并非每一页逻辑空间都会实际对应着一个物理块，只有实际驻留在物理内存空间中的页才会对应着物理块。

系统会为每一个进程建立一张页表，页表是需要一直驻留在物理内存中的（多级页表除外），另外页表的起址和长度存放在 PCB（Process Control Block）进程控制结构体中。

可以在页表的表项中设置相关的权限控制字段，例如设置存取控制字段，用于保护该存储块的读写；若存取控制字段为2位，则可以设置读/写、只读和只执行等存取方式。

物理块是实实在在存在于内存中的：

由于执行频率高，要求效率比较高，需要使用硬件实现。

在系统中设置一个 页表寄存器(PTR) ,其中存放页表在内存的起始地址和页表的长度。平时进程未执行的时候，页表的起始地址和页表长度放在本进程的PCB中。当调度程序调度到某个进程的时候，才将这两个数据装入 页表寄存器 。

变换过程：

快表的变换机构

为了提高地址变换速度，可在地址变换机构中增设一个具有并行查询能力的特殊高速缓冲寄存器，又称为"联想寄存器"或者“快表”。俗称TLB。

快表与页表的功能类似，其实就是将一部分页表存到 CPU 内部的高速缓冲存储器 Cache。CPU 寻址时先到快表查询相应的页表项形成物理地址，如果查询不到，则到内存中查询，并将对应页表项调入到快表中。但，如果快表的存储空间已满，则需要通过算法找到一个暂时不再需要的页表项，将它换出内存。

由于成本的关系，快表不可能做得很大，通常只存放 16~512 个页表项，这对中、小型作业来说，已有可能把全部页表项放在快表中；但对于大型作业而言，则只能将其一部分页表项放入其中。由于对程序和数据的访问往往带有局限性，因此，据统计，从快表中能找到所需页表项的概率可达 90% 以上。这样，由于增加了地址变换机构而造成的速度损失可减少到 10% 以下，达到了可接受的程度。

我们可以采用这样两个方法来解决这一问题：

① 对于页表所需的内存空间，可采用离散分配方式，以解决难以找到一块连续的大内存空间的问题；

② 只将当前需要的部分页表项调入内存，其余的页表项仍驻留在磁盘上，需要时再调入。

二级页表的页表项：

过程：

在采用两级页表结构的情况下，对于正在运行的进程，必须将其外层页表调入内存，而对于内页表则只需调入一页或几页。为了表征某页的页表是否已经调入内存，还应在外层页表项中增设一个状态位 S，其值若为 0，表示该页表分页不在内存中，否则说明其分页已调入内存。进程运行时，地址变换机构根据逻辑地址中的 P1去查找外层页表；若所找到的页表项中的状态位为 0，则产生一个中断信号，请求 OS 将该页表分页调入内存。

多级页表和二级页表类似。多级页表和二级页表是为了节省物理内存空间。使得页表可以在内存中离散存储。（单级页表为了随机访问必须连续存储，如果虚拟内存空间很大，就需要很多页表项，就需要很大的连续内存空间，但是多级页表不需要。）

为什么引入分段存储管理？

引入效果：

它将用户程序的地址空间分为若干个大小不同的的段，每个段可以定义一组完整的信息。

段号表示段名，每个段都从0开始编址，并且采用一段连续的地址空间。

在该地址结构中，允许一个作业最长有64K个段，每个段的最大长度为64KB。

在分段式存储管理系统中，为每一个分段分配一个连续的分区。进程的各个段，可以离散地装入内存中不同的分区中。

作用：实现从逻辑地址到物理内存区的映射。

为了保证程序能够正常运行，就必须能够从物理内存中找出每个逻辑段所对应的位置。为此在系统中会为每一个进程建立一张 段表 。每个段在表中有一个表项，其中记录了该段在内存中的起始地址和段的长度。一般将段表保存在内存中。

在配置了段表之后，执行的过程可以通过查找段表，找到每一个段所对应的内存区。

为了实现进程从逻辑地址到物理地址的变换功能，在系统设置了段表寄存器，用于存放段表的起始地址和段表长度TL。

在进行地址变换时，系统将逻辑地址中的段号与段表长度TL 进行比较。若 S >TL，表示段号太大，是访问越界，于是产生越界中断信号。若未越界，则根据段表的始址和该段的段号，计算出该段对应段表项的位置，从中读出该段在内存的起始地址。然后，再检查段内地址 d 是否超过该段的段长 SL。若超过，即 d>SL，同样发出越界中断信号。若未越界，则将该段的基址 d 与段内地址相加，即可得到要访问的内存。

分页和分段系统相似之处：两者都采用离散分配方式，且都是通过地址映射机构实现地址变换。

但在概念上两者完全不同，主要表现在下述三个方面：

分页系统以页面作为内存分配的基本单位，能有效地提高内存利用率，而分段系统以段作为内存分配的基本单位，它能够更好地满足用户多方面的需要。

段页式地址结构由段号、段内页号及页内地址三部分所组成

段页式系统的基本原理是分段和分页原理的结合，即先将用户程序分成若干个段，再把每个段分成若干个页，并为每一个段赋予一个段名。如下图展示了一个作业地址空间的结构。该作业有三个段：主程序段、子程序段和数据段；页面大小为 4 KB：

在段页式系统中，为了实现从逻辑地址到物理地址的变换，系统中需要同时配置段表和页表。段表的内容与分段系统略有不同，它不再是内存始址和段长，而是页表始址和页表长度。下图展示出了利用段表和页表进行从用户地址空间到物理(内存)空间的映射。

在段页式系统中，为了便于实现地址变换，须配置一个段表寄存器，其中存放段表始址和段长 TL。进行地址变换时，首先利用段号 S，将它与段长 TL 进行比较。若 S <TL，表示未越界，于是利用段表始址和段号来求出该段所对应的段表项在段表中的位置，从中得到该段的页表始址，并利用逻辑地址中的段内页号 P 来获得对应页的页表项位置，从中读出该贝所在的物理块号 b，再利用块号 b 和页内地址来构成物理地址。

在段页式系统中，为了获得一条指令或数据，须三次访问内存。第一次访问是访问内存中的段表，从中取得页表始址；第二次访问是访问内存中的页表，从中取出该页所在的物理块号，并将该块号与页内地址一起形成指令或数据的物理地址；第三次访问才是真正从第二次访问所得的地址中取出指令或数据。

显然，这使访问内存的次数增加了近两倍。为了提高执行速度，在地址变换机构中增设一个高速缓冲寄存器。每次访问它时，都须同时利用段号和页号去检索高速缓存，若找到匹配的表项，便可从中得到相应页的物理块号，用来与页内地址一起形成物理地址：若未找到匹配表项，则仍需第三次访问内存。

参考链接：

重新设置任务结构中的TSS结构的各个字段值。让新进程的状态保持父进程即将进入中断过程前的状态，然后为新进程确定在线性地址空间的起始位置（nr * 64MB）。对于CPU分段机制，linux0.11的代码段和数据段在线性地址空间中的位置和长度完全相同。接着系统会为新进程复制父进程的页目录项和页表项。对于linux0.11内核来说，所有程序共用一个位于物理内存开始位置处的页目录表，而新进程的页表则需另行申请一页内存来存放，并将页目录表相应项修改并映射到该页表。

---