内存管理、进程映像、虚拟内存、映射虚拟内存与物理内存的函数

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或Linux
POSIX brk/sbrk 调用内核
Linux mmap/munmap 调用内核kernal
系统层
kernal kmalloc/vmalloc 调用驱动
驱动 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，系统会把可执行程序
加载到内存中，在内存中形成了进程（一个程序可以同时加载多个进程）
进程的内存分布情况就是所谓的进程映像，从低地址到高地址依次分布
为：
text 代码段 二进制指令、常量（字符串字面值、被const修饰过
的初始化过的原data的数据）
data 数据段 初始化过的全局变量和静态局部变量
bss 静态数据段 未初始化过的全局变量和静态局部变量
程序运行前，会自动清0
heap 堆 由程序员手动管理的体量较大的数据
stack 栈 局部变量、块变量
environ 环境变量表 环境变量
每个进程都有一份，修改也不会影响其他进程
argv 命令行参数 通过程序运行前命令行附加的参数

练习1：定义各个内存段的数据，然后分别打印它们的地址编号，
与该进程的maps内存记录文件中对应
    /proc/进程id/maps
    查询进程id  命令：ps -aux       ./a.out 
                函数：getpid（）

三、虚拟内存
1、系统会为每个内存进程分配4G的虚拟内存空间
2、用户只能使用虚拟内存，无法直接使用物理内存
3、虚拟地址与物理内存进行映射后才能使用，否则就会产生
段错误
4、虚拟地址与物理内存直接的映射是由操作系统动态维护
5、让用户使用虚拟地址一方面是为了安全，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大的地址空间
6、4G的虚拟地址空间分为两个部分
[0G~3G)用户空间
[3~4G] 内核空间
7、用户空间中的代码不能直接访问内核空间的代码和数据，
可以通过系统调用（API）从用户态切换到内核态后，间接地
与内核交换数据
8、对虚拟内存越界访问（使用了没有映射过的虚拟内存），导致
段错误

四、映射虚拟内存与物理内存的函数：
sbrk/brk/mmap/munmap
关于malloc获取映射好的虚拟内存地址的底层逻辑：
1、如果分配的内存小于128kb 调用sbrk、brk
2、如果大于128kb，调用mmap/munmap

系统内部维护着一个指针指向内存映射的最后一个字节的下一个
字节
注意：系统映射内存是以页（1页=4096字节）为单位的

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      映射内存
    <0      取消映射
返回值：返回该指针在移动前的位置
int brk(void *addr);
功能：直接使用addr的值修改该指针的位置，既能映射也能取消
映射
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：sbrk/brk 属于POSIX标准中的内存映射函数，都可以
单独映射、取消映射，但是配合使用最方便（sbrk映射、brk取消
映射）

练习1：计算出前1000个素数，存储到堆内存中，尽量不要浪费
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
addr：要映射的区域的首地址，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
prot：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
    PROT_READ | PROT_WRITE 
flags：映射标志
    MAP_ANONYMOUS   将虚拟内存映射到物理内存，而不是映射文件，
    因此忽略fd、offset等参数，必须在MAP_SHARED\MAP_PRIVATE配合使用
    MAP_SHARED 共享此映射
    MAP_PRIVATE 不共享映射
fd：文件描述符
    不映射文件给0
offset：    文件的偏移量
    不映射文件给0
返回值：成功返回映射后的首地址，失败返回MAP_FAILED
((void*)-1)等同于0xFFFFFFFF

int munmap(void *addr, size_t length);
功能：取消映射 
addr：要取消映射的区域的首地址
length：要取消映射的字节数
返回值：成功返回0，失败返回-1

内存管理的总结：
1、sbrk/brk底层维护了一个指针，该指针记录着映射内存的结尾，
移动该指针就会映射或取消映射，映射的内存还是属于堆内存
2、mmap/munmap 底层不维护任何东西，如果mmap映射成功返回
映射后的内存首地址，映射的内存属于堆内存
3、malloc/free 底层调用了sbrk/brk/mmap/munmap
4、每个进程都有4G的虚拟地址空间，虚拟地址只是虚假的地址编号，
并不是真实物理内存地址编号，虚拟地址必须与物理内存进行映射后
才能使用
5、平时所说的堆内存的分配与释放有两层含义：
a、权限的分配的回收
b、映射关系的建立
6、重点是理解linux系统对于内存的管理机制，而不是sbrk/brk/
mmap/munmap的用法