内存管理与进程映像概述

内存管理与进程映像概述

在操作系统和编程中，内存管理是至关重要的，它直接影响程序的性能和稳定性。以下是用户层和系统层内存管理机制的总结，以及进程映像和虚拟内存的相关概念。

一、内存管理

内存管理的过程可以分为用户层和系统层：

用户层

1. STL (Standard Template Library)

   • 自动分配/释放内存：C++中通过STL自动管理内存。

2. C++

   • new/delete：C++中的内存分配和释放机制，底层调用C语言的内存管理函数。

3. C

   • malloc/free：标准C库中的内存管理函数，调用POSIX或Linux内核函数进行内存分配和释放。

4. POSIX

   • brk/sbrk：用于调整数据段的末尾来扩展或缩减堆内存。

5. Linux

   • mmap/munmap：用于映射和取消映射虚拟内存地址到物理内存。

系统层

1. Kernel (内核)

   • kmalloc/vmalloc：用于在内核中分配和释放内存。

2. 驱动

   • get_free_page：用于在驱动程序中分配内存页。

二、进程映像

程序存储在磁盘上的可执行文件，当程序执行时，系统将其加载到内存中，形成进程。进程的内存分布情况称为进程映像，从低地址到高地址依次为：

1. text (代码段)：存储二进制指令和常量数据。
2. data (数据段)：初始化的全局变量和静态局部变量。
3. bss (静态数据段)：未初始化的全局变量和静态局部变量，程序运行前自动清零。
4. heap (堆)：由程序员手动管理的大量数据。
5. stack (栈)：存储局部变量和块变量。
6. environ (环境变量表)：存储环境变量，每个进程都有一份，互不影响。
7. argv (命令行参数)：存储程序运行时的命令行参数。

练习

定义各个内存段的数据，并打印它们的地址，与 /proc/[进程id]/maps 文件中对应的内存记录进行对比。

三、虚拟内存

虚拟内存的关键点：

1. 每个进程分配4GB虚拟内存空间。
2. 用户只能使用虚拟内存，不能直接访问物理内存。
3. 虚拟地址和物理内存之间的映射由操作系统动态维护。
4. 虚拟地址与物理内存的映射后才能使用，否则会产生段错误。
5. 4GB虚拟地址空间分为用户空间（0-3GB）和内核空间（3-4GB）。
6. 用户代码不能直接访问内核空间，需通过系统调用间接访问。

四、映射虚拟内存与物理内存的函数

sbrk 和 brk

• sbrk(intptr_t increment)：根据增量调整指针的位置，既可映射也可取消映射。
• brk(void *addr)：直接修改指针的位置进行内存映射或取消映射。

mmap 和 munmap

• mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)：映射虚拟内存和物理内存。
• munmap(void *addr, size_t length)：取消映射。

总结

1. sbrk/brk 通过指针移动实现内存映射和取消映射，属于堆内存。
2. mmap/munmap 不维护任何状态，直接映射或取消映射。
3. malloc/free 底层调用了 sbrk/brk 或 mmap/munmap。
4. 虚拟地址通过映射后才能访问物理内存，系统动态管理映射。

理解内存管理机制对优化和调试程序至关重要，特别是在高性能或资源受限的系统中。