linux编程学习笔记(三) 虚拟内存映射 brk sbrk mmap umap

1 问题: 一个程序为什么不能访问另外一个程序的地址指向的空间.

理解:
1.每个程序的开始地址0x80084000
2.程序中使用的地址不是物理,而是逻辑地址(虚拟内存).
逻辑地址仅仅是编号.编号使用int 4字节整数表示.
4294967296

每个程序提供了4G的访问能力

2 问题: 什么是内存映射? 什么是越界访问?为何出现段错误?

逻辑地址与物理地址关联才有意义:过程称为内存映射.

背景:
虚拟内存的提出:禁止用户直接访问物理存储设备.
有助于系统的稳定.

结论:
虚拟地址与物理地址映射的时候有一个基本单位:
4k字节  0x1000 1 内存页.
(malloc时 一次性最少映射一个页,这个范围内访问不会出现段错误)

段错误意味:地址没有映射到物理空间

越界访问: 比如malloc分配的空间之外的空间可以访问,但访问非法!

越界访问不一定会产生断错误

访问的虚拟内存地址没有与物理内存地址映射一定会出现段错误

3 虚拟内存的映射 

1 brk/sbrk 内存映射函数

补充： 帮助手册
man 节 关键字
1-8节
1：Linux系统（shell）指令  
2：系统函数  
3：标准C函数
7：系统编程帮助  man tcp ,man icmp ,man socket


分配释放内存：

void* sbrk(int increment) //返回空间地址
int brk(void *addr) //分配空间 释放空间
应用：
1 使用sbrk 分配空间
2 使用sbrk得到没有映射的虚拟地址
3 使用brk分配空间
4 使用brk释放空间


理解：
void* sbrk(int size)   //使用相对位置进行分配和释放
sbrk 与 brk 后台系统维护一个指针，增加这个指针相当与分配内存，减小这个指针相当与释放内存
指针默认是null。
调用sbrk，判断指针是否是0 ，是：1初始化指针（一页的起始地址） 2返回指针
3同时把指针+size（若此地址未映射，则先映射一页空间）
，否：1返回指针  2 指针位置+size
sbrk(a) 用于分配a字节的空间, 返回值是这个空间的起始地址
sbrk(-a) 用于释放a字节的空间
sbrk(0) 用于取得目前指针的位置
失败返回 (void *)(-1)


int brk(void *addr) //使用绝对地址进行分配和释放

将指针设置在addr，addr以前空间都被分配出来。addr一般通过sbrk(0)来获得
若未映射则先映射
失败返回-1

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{
	int *p1 = sbrk(4); // 返回空闲地址 内部指针+4
	int *p2 = sbrk(200);// 返回内部指针 内部指针+200
	int *p3 = sbrk(0); //返回内部指针
	
	printf("%p\n",p1);
	printf("%p\n",p2);
	printf("%p\n",p3);
	/*
	0x84fb000
	0x84fb004
	0x84fb0cc
	*/	
	printf("pid:%d\n",getpid());
	while(1) {}
}

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

int main()
{

	int *p1 = sbrk(0); // 返回空闲地址  没分配地址
	brk(p1+100); //分配一个空间：发现是未映射的，先映射一个页，再分配100字节（参数是分配空间的结束地址）

	*(p1+100) = 80;
	*(p1+1000) = 800; // 越界访问也是可以的
	
	brk(p1+1); //将分配的空间的尾地址设置为p1+1
	*(p1+100) = 99; //越界访问仍然可以
	
	brk(p1); //继续释放，将分配的空间的尾地址设置为p1 因为这个页里面分配0空间，这个页不再被映射
	*(p1) = 100; //段错误 地址未映射
	

	
}

/*
 找出1-10000中的素数，存在内存中，最后再打印出来。
*/


#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <math.h>

int main()
{
	int *p_start ,*p_end;
	p_start = sbrk(0);
	p_end = p_start;
	int i,j;
	int is_sushu;
	
	for(i = 2; i < 1001; i++)
	{
		is_sushu = 1;
		for( j=2; j<sqrt(i); j++)
		{
			if( i%j ==0 )
			{
				is_sushu = 0;
				break;
			}
		}
			if(is_sushu)
			{
				brk(p_end+1);
				*p_end = i;
				p_end +=1;
			}
	}
	
		
	int *p = p_start;
	while(p!= p_end)
	{
		printf("%d ",*p);
		p++;
	}
	
	brk(p_start);
	printf("\n");

	
}

mmap（ 分配）/umap(释放)

1函数说明
  void *mmap(
void *start, //指定映射的虚拟地址  如为0 系统指定开始位置
size_t length, //映射的空间大小 ： pagesize倍数
int prot,//映射权限 PROT_NONE PROT_READ PROT_WRITE PROT_EXEC
int flags,//映射方式
int fd,//文件描述符
offset_t  off); //文件中的偏移位置（必须是page_size的倍数）
       int munmap(void *addr, size_t length);


       
       映射方式：
内存映射：匿名映射
文件映射：映射到文件 ，只有当文件映射时，最后两个参数才有效


MAP_ANONYMOUS 写了就是内存映射 不写就是文件映射
MAP_PRIVATE MAP_SHARED 2选1


  umap(void *start,size_t lenth)

#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h> //NULL宏
#include <unistd.h> //getpagesize()

main()
{
	
	int *p =mmap(
		NULL,
		getpagesize(),
		PROT_READ|PROT_WRITE, //只写WRITE时可以读，只写READ时不可以写 段错误
		MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED,
		0,0);
	*p = 20;
	*(p+1) = 30;
	*(p+2) = 40;
	
	printf("%d\n",p[2]); //40
	
	printf("%p\n",p);
	munmap(p,4096);

	printf("pid:%d\n",getpid());
	while(1){}	
}

3总结

智能指针
最方便使用STL new
STL
new
malloc  小而多的数据
效率最高：brk mmap
brk/sbrk 同类型的大块数据，根据需要动态移动指针
mmap/munmap 控制内存访问 内存直接向使用文件映射 控制内存共享