Linux下进程内存管理之malloc和sbrk

之前自己突发兴趣想写一下malloc函数，顺便了解一下进程的内存管理。在写的过程中发现其实malloc只不过是通过调用Linux下的sbrk函数来实现内存的分配，只是在sbrk之上加了一层对所分配的内存的管理罢了，而sbrk以及brk是实现从虚拟内存到内存的映射的。在实际动手写之前先来了解一下Linux下一个进程的内存空间分配。

进程内存空间分配

Linux下每个进程所分配的虚拟内存空间是3G，但实际使用过程中不可能也没有必要为一个进程分配如此大的空间，毕竟内存是很宝贵的资源。当一个进程执行的时候系统为其分配的内存空间主要包括数据段，代码段，栈，堆等等。而malloc所申请的空间就是从堆中分配的。先来看下面这张图：

这就是一个进程的内存空间，其中的Data Segment出要是存放已经初始化的静态数据，而BSS segment则存放为初始化的静态数据，在此之上的堆，然后是栈。值得注意的是，堆和栈的增长方向正好是相反的。现在先通过一段简单的代码来看一下data segment 和BSS segment的分配。

  8 #include <stdio.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10 
 11 int bssvar;
 18 int dataSegmentVar = 1;
 19 
 20 int main()
 21 {
 22     printf("bssvar:%p, dataSegmentVar:%p,gap:%d", &bssvar, &dataSegmentVar,     ((int)&bssvar - (int)&dataSegmentVar));
 23     return 0;
 24 }  

程序运行的结果是：

bssvar:0x6008c0, dataSegmentVar:0x6008ac,gap:20

可以看到dataSegment在BSS segment之下，他们之间的有20个字节的空间也即data segment的分配空间大小是20字节。但是这个大小并不是固定的，如果程序中的静态未初始化变量大于20个字节，那么data segment的空间会相应地增长。

  8 #include <stdio.h>
  9 #include <stdlib.h>                                                                                                                                                              
 10 
 11 int bssvar, bssvar1, bssvar2, bssvar3, bssvar4, bssvar5;
 12 char c;
 13 int dataSegmentVar = 1;
 14 
 15 int main()
 16 {
 17     printf("bssvar:%p, dataSegmentVar:%p,gap:%d", &bssvar, &dataSegmentVar, ((int)&bssvar - (int)&dataSegmentVar));
 18     return 0;
 19 }

程序运行的结果是：

bssvar:0x6008c4, dataSegmentVar:0x6008ac,gap:24

这个时候dataSegment的变量是5个int和一个char，总共的大小是21个字节，而此时dataSegment的大小是24个字节,空间超过20，但是为了对齐，所以不是21而是24。

另外在上图中还有一个值得注意的地方就是program break，这是进程堆的末尾地址。当用户通过malloc函数申请空间的时候，实际就是利用sbrk函数移动program break，使其向上增长，以获得更大的堆空间。所以看起来很神秘的内存申请只不过是移动一个指针而已，哈哈。

不过这只是对简单的原理，里面还有很多细节需要考虑，接下来还是用一段程序来说。

  8 #include <stdio.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10 
 11 int main()
 12 {
 13     void* ptr, *ptr1;
 14     ptr = sbrk(0);
 15     printf("sbrk:%p\n", ptr);
 16     ptr1 = malloc(100);
 17     ptr = sbrk(0);
 18     printf("sbrk:%p, ptr1:%p\n", ptr, ptr1);
 19     free(ptr1);
 20     ptr = sbrk(0);
 21     printf("sbrk:%p\n",ptr);
 22 }
~     

程序中首先用sbrk(0)得到堆部分的末尾地址，然后利用malloc申请了一个100字节长度的空间，这个时候再来看堆空间的末尾地址以及所申请的空间的地址。最后，再释放所申请的空间然后再来看堆空间地址。

程序的运行结果：

sbrk:0x2439000

sbrk:0x245a000, ptr1:0x2439010

sbrk:0x245a000

一开始堆区的末尾地址是0x2439000，但是当利用malloc申请完100字节的空间之后，堆区的末尾地址变为了0x245a000，一下子变大了0x21000。另外还值得注意的就是malloc所申请的空间的起始地址是0x2439010，比一开始的堆末尾地址向后移动了16个字节。这个不难理解，每一段内存空间都需要有一些元数据去管理该空间，所以我猜想这16个字节就是用来记录malloc所分配这100个字节空间的信息，包括大小，状态等等。

那么为什么明明只申请了100个字节的空间，program break却向后移动了这么多？这个也不难理解，总不能每次用户申请一段小的空间都去调用一次sbrk吧，这样的开销太大。所以干脆一次性分配一段大空间出来，除了用户所申请的空间之外，剩下的空间可以用于之后的malloc空间申请。来看下一段程序：

  8 #include <stdio.h>
  9 #include <stdlib.h>
 10 
 11 int main()
 12 {
 13     void* ptr, *ptr1;
 14     ptr = sbrk(0);
 15     printf("sbrk:%p\n", ptr);
 16     ptr1 = malloc(100);
 17     ptr = sbrk(0);
 18     printf("sbrk:%p, ptr1:%p\n", ptr, ptr1);
 19     ptr1 = malloc(100);
 20     ptr = sbrk(0);
 21     printf("sbrk:%p, ptr1:%p\n",ptr, ptr1);                                                                                                                                      
 22     free(ptr1);
 23     ptr = sbrk(0);
 24     printf("sbrk:%p\n",ptr);
 25 }

运行结果：

sbrk:0x933000

sbrk:0x954000, ptr1:0x933010

sbrk:0x954000, ptr1:0x933080

sbrk:0x954000

可以看到，尽管通过malloc函数申请了两块100字节的空间，但是program break并未因此而移动两次。另外，第一块空间和第二块空间的地址相差的不是100个字节而是112个字节，究其原因估计还是因为对齐的问题吧。

通过上文的讲解，我们发现，其实malloc也没有这么神秘了，它只不过就是利用sbrk来申请了一段空间罢了。不过除了申请空间之外，还需要管理这些空间才是malloc真正核心的地方。这些问题将在下一篇博文《自己动手写malloc》中详细讲解。

关于sbrk还有brk的用法网上有一大堆，这里就不细讲了，推荐一篇文章吧：点击打开链接