linux系统编程-内存管理day01

2018-05-24 本文已影响0人桔子满地

内存管理

对于一个进程来说，内存是最基本也是最重要的资源。
本章内容包括：存储器分配(allocation)、内存操控(manipulation)、内存释放(release)。
本小结总结了8.1~8.2的内容

进程地址空间

linux将它的物理内存虚拟化，进程并不能直接在物理内存上寻址，而是由linux内核为每个进程维护一个特殊的虚拟地址空间(virtual address space)。

页和页面调度

虚拟空间由许多页组成，系统的体系结构以及机型决定了页的大小（4K-32位系统 && 8K-64位系统）.
每个页都只有有效和无效这两种状态.
- 有效：一个页面与一个物理页或者一些二级存储介质相关联，例如一个交换分区或者一个在硬盘上的文件。
- 无效：页面没有关联，代表它没有被分配。
一个进程不能访问一个处在二级存储中的页，除非这个页和物理内存中页相关联。

共享和写时复制

允许不同的虚拟地址空间共享（share）物理内存上的数据。共享的数据可能是只读的，或者是可读可写的。（一个物理页可能被分配给不同的进程，即进程共享这个页）
当某个进程试图写某个共享页时可能有两种情况：

内核允许这个操作
内存管理单元（MMU）会截取这次写操作并产生一个异常，然后内存会创造一份这个页的拷贝以供该进程进行写操作，这种方法叫写时拷贝（COW， copy-on-write）。读时可以共享读，只有进程在对共享页写时才能获得一份新的拷贝。

存储器区域

内核将具有某些相同特征的页组织成块（blocks），例如读写权限。
每个进程都有以下存储器区域：

文本段（text segment）
堆栈段（stack）
数据段（data segment），又叫堆（heap）
BSS段（bss segment）

动态内存分配

所有内存管理系统的基础都是动态内存的分配，使用以及最终的返回。

动态内存是在进程运行时才分配的，而不是在编译时就分配好的。

C中获取动态内存的接口

1.malloc( ):
得到一个size大小的内存区域，并返回一个指向这部分内存首地址的指针。（其中的内容是未定义的，并非全部是0）

#include <stdlib.h>
void *malloc(size_t size);

malloc的使用：

char *p;
p = malloc(2048);
if (!p)
  perror("malloc");

注：C会自动地把返回值由void指针转变为需要的类型，但是C++需要自己强转：

char *name;
name = (char *) malloc(512);
if (!name)
  perror("malloc");

2.xmalloc( ):
当malloc( )返回NULL时就打印错误和终止程序：

/* like malloc( ), but terminates on failure */
void *xmalloc(size_t size)
{
  void *p;
  p = malloc(size);
  if (!p) {
    perror("xmalloc");
    exit(EXIT_FAILURE);
  }
  return p;
}

3.calloc( ):
用于分配动态数组，

#include <stdlib.h>
void *calloc(size_t nr, size_t size);

调用calloc( )成功时会返回一个指针，指向一块可以存储下整个数组的内存（nr个元素，每个为size个字节）.

与malloc(nr * size)相同（可能比请求的多，但不会少）.
但与malloc( )不同的是，calloc将分配的区域全部用0进行初始化。
calloc( )可能比memset更快，因为内核可以提供本已清0的内存块。

4.realloc( ):
C语言提供了一个接口来改变（变大或变小）已经得到的动态内存的大小：

#include <stdlib.h>
void *realloc(void *ptr, size_t size);

成功调用realloc( )将ptr指向的内存区域的大小变为size字节。

如果realloc( )不能在已有的空间上增加到size大小，那么就会另外申请一块size大小的空间，将原本的数据拷贝到新空间中，然后再将旧的空间释放。
注意：当realloc( )失败时，ptr指向的内存区域并没有改变！

动态内存的释放

自动内存分配，当栈不在使用，空间被自动释放。而动态内存需要显式地释放。

当被malloc( ), calloc( )或者realloc( )分配到的内存不再使用时必须通过free( )归还给系统。

#include <stdlib.h>
void free(void *ptr);

free( )有一个变种cfree( ),除非要考虑向下兼容的问题，不然我们不应该使用cfree( )，在此就略过了。
如果有块动态内存没有被显示地释放，那么这类编程错误叫做内存泄露(memory leak)。
另一个常见的错误是：释放后再使用。

对齐

数据的对齐(alignment)是指数据地址和由硬件确定的内存块之间的关系。

在编写可移植的代码的时候，对齐的问题一定要注意，所有的类型都应该保持自然对齐。

在大多数情况下，编译器和C库会自动处理对齐的问题。在Linux中，malloc( )等函数返回的都是（8字节对齐（32位系统）， 16字节对齐（64位系统））。
但是对于更大的边界，例如页面，需要动态的对齐。最基本的工作是将直接块I/O或是其它软硬件通信的缓冲区对齐

posix_memalign( )

/* one or the other -- either suffices */
#define _XOPEN_SOURCE 600
#define _GNU_SOURCE
#include <stdlib.h>
int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);

调用posix_memalign( ), 成功时会返回size字节的动态内存，并保证是按照alignment进行对齐的。参数alignment必须是2的幂，以及void指针大小的倍数。返回的内存块的地址保存在memptr里，函数返回0。

由posix_memalign( )获得的内存通过free( )释放。
还有valloc( )和memalign( )两个函数，但是为了移植性考虑，应该优先选择posix_memalign( )。

其他对齐问题

复杂的数据结构的对齐问题将会比标准类型的更复杂。另外，在对不同类型的指针进行赋值以及强制类型转换的时候，对齐的问题也很重要。
非标准类型。非标准和复杂的数据类型的对比比简单的自然对齐有着更多的要求：

一个结构的对齐要求和它的成员中最大的那个类型是一样的。
结构体中也引入了对填充的需求，例如一个char(1字节对齐)后跟着一个int(可能4字节对齐)，编译器会自动地插入3个字节作为填充来保证int以4字节对齐。
一个联合的对齐和联合里最大的类型一致。
一个数组的对齐和数组里的元素类型一致。

使用指针和强转时也可能有对齐错误。例如以下代码：

char greeting[] = "ahoy matey";
char *c = greeting[1];
unsigned long badnews = *(unsigned long  *)c;

当c被强转后再进行读取将会导致对齐错误。小者是性能损失，大者是整个程序崩溃。