操作系统

一、内存管理
用户层
STL 自动分配/释放内存 调用C++
C++ new/delete 调用C
C malloc/free 调用POSIX
POSIX brk/sbrk 调用Linux
Linux mmap/munmap 调用内核
系统层
kernal kmalloc/vmalloc 调用驱动
driver get_free_page
二、进程映像
程序是存储在磁盘上的可执行文件，当执行程序时，系统会将可执行文件加载到同，内存中形成进程（一个程序可以同加载出多个进程）。

进程的内存空间分布就是进程映像，从低地址到高地址依次是：
    text 代码段 二进制指令，常量(字符串字面值，被const修改过的原data段的数据)
        只能读，如果修改会产生段错误
    data 数据段 初始化过的全局变量和静态变量
    bss  静态数据段 未初始化过的全局变量和静态变量
        该段内存会被清理为0。
    heap 堆 体量比较大的数据，结构变量
        手动管理，释放时间可控，空间大，使用时与指针配合
        使用麻烦，可能产生内存碎片和内存泄漏。
    stack 栈 局部、块变量
        大小有限，自动分配释放，不会产生内存碎片、泄漏
    environ 环境变量表 环境变量
        每个进程一份，修改并不会影响其它进程
    argv 命令行参数 
        程序执行时附加的参数
练习1：打印出每内存段的数据的地址，与该进程的内存记录文件对比。
printf("vi /proc/%d/maps\n",getpid());
scanf("%*c");

虚拟内存：
1、系统会为每个进程分4G的虚拟内存空间。
32个0 ~ 32个1 地址范围。
2、用户只能使用虚拟地址，无法直接使用物理内存。
3、虚拟地址与物理内存进行映射才能使用，否则就会产生段错误。
4、虚拟地址与物理内存的映射由操作系统动态维护。
5、让用户使用虚拟地址一方面为了安全，另一方面操作系统可以让应用程序使用比实际物理内存更的地址空间。
6、4G的虚拟地址分为两部分
[0~3) 用户空间
[3~4) 内核空间
7、用户空间中的代码不能直接访问内核空间代码和数据，可以通过调用系统API切换到内核态，间接的与内核交换数据。
8、对虚拟内存越界访问（使用没有映射过的内存）将导致段错误。

映射虚拟内存与物理内存的函数：
#include

注意：系统映射内存时是以页(1页=4096byte)为单位的。
系统内存维护一个指针指向内存映射的最后一个字节的下一个位置。

void *sbrk(intptr_t increment);
功能：根据增量参数调整该指针的位置，既能映射也能取消映射。
increment：增量
    0 获取指针的位置
   <0 取消释放
   >0 映射内存
返回值：该指针原来的位置。

int brk(void *addr);
功能：直接用addr的值修改指针的位置。
addr：
    > 位置指针，映射内存
    < 位置指针，取消映射
返回值：成功返回0，失败返回-1。

注意：brk/sbrk是POSIX标准的内存映射函数，都有单独映射、取消映射的功能，但配合使用最方便。

练习2：计算出前1000个素数，存储到堆内存中，但不要消费内存。

#include 
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
功能：映射虚拟内存与物理内存，sbrk和brk底层调用的就是它们。
addr：映射内存区域的起始地址，可以自己指定，如果是NULL则系统帮你指定。
length：映射的字节长度
port：映射的权限
    PROT_EXEC  执行权限
    PROT_READ  读权限
    PROT_WRITE 写权限
    PROT_NONE  没有权限
flags：映射标志
    MAP_FIXED 如果提供的addr无法映射，则失败，系统不会自动调整。
    MAP_ANONYMOUS 将虚拟映射到物理内存，而不是文件，忽略fd等参数。
    MAP_SHARED 对映射区域的写操作直接反映到文件中。 
    MAP_PRIVATE 对映射区域的写操作只反映到文件的缓冲区，不会真正写入文件。
    MAP_DENYWRITE 拒绝文件的写入操作
fd：文件描述符
offset：文件的偏移量
返回值：成功返回映射后的内存地址，失败返回0xFFFFFFFF

int munmap(void *addr, size_t length);
功能：取消映射
addr：映射内存区域的起始地址
length：内存字节数
返回值：成功返回0，失败返回-1。

内存管理总结：
1、mmap/munmap 底层不维护任何东西，只返回一个映射后的内存首地址，所映射的内存位于堆中。
2、brk/sbrk底层维护一个指针，记录所映射的内存结尾，所映射的内存也位于堆中，底层调用的是mmap/munmap。
3、malloc/free底层维护一个双向链表和必须的控制信息，所映射的内存也位于堆中，底层调用的是brk/sbrk。
4、每个进程都有4G(32位系统)的虚拟内存空间，虚拟内存只是个数据，必须与物理内存建立映射关系才能使用。
5、平时所说内存的分配与释放有两层含义。
1、权限的分配与释放
2、映射关系的取消与建立
6、重点是理解Linux系统的内存管理机制，而不是brk/sbrk/mmap/munmap的用法。