Glibc内存管理--ptmalloc2源代码分析（二）

2.2 操作系统内存分配的相关函数

上节提到heap和mmap映射区域是可以提供给用户程序使用的虚拟内存空间，如何获得该区域的内存呢？操作系统提供了相关的系统调用来完成相关工作。对heap的操作，操作系统提供了brk()函数，C运行时库提供了sbrk()函数；对mmap映射区域的操作，操作系统提供了mmap()和munmap()函数。sbrk()，brk() 或者 mmap() 都可以用来向我们的进程添加额外的虚拟内存。Glibc同样是使用这些函数向操作系统申请虚拟内存。

这里要提到一个很重要的概念，内存的延迟分配，只有在真正访问一个地址的时候才建立这个地址的物理映射，这是Linux内存管理的基本思想之一。Linux内核在用户申请内存的时候，只是给它分配了一个线性区（也就是虚拟内存），并没有分配实际物理内存；只有当用户使用这块内存的时候，内核才会分配具体的物理页面给用户，这时候才占用宝贵的物理内存。内核释放物理页面是通过释放线性区，找到其所对应的物理页面，将其全部释放的过程。

2.2.1 Heap操作相关函数

Heap操作函数主要有两个，brk()为系统调用，sbrk()为C库函数。系统调用通常提供一种最小功能，而库函数通常提供比较复杂的功能。Glibc的malloc函数族（realloc，calloc等）就调用sbrk()函数将数据段的下界移动，sbrk()函数在内核的管理下将虚拟地址空间映射到内存，供malloc()函数使用。

内核数据结构mm_struct中的成员变量start_code和end_code是进程代码段的起始和终止地址，start_data和 end_data是进程数据段的起始和终止地址，start_stack是进程堆栈段起始地址，start_brk是进程动态内存分配起始地址（堆的起始地址），还有一个 brk（堆的当前最后地址），就是动态内存分配当前的终止地址。C语言的动态内存分配基本函数是malloc()，在Linux上的实现是通过内核的brk系统调用。brk()是一个非常简单的系统调用，只是简单地改变mm_struct结构的成员变量brk的值。

这两个函数的定义如下：

       #include <unistd.h>

       int brk(void *addr);

       void *sbrk(intptr_t increment);

         需要说明的是，但sbrk()的参数increment为0时，sbrk()返回的是进程的当前brk值，increment为正数时扩展brk值，当increment为负值时收缩brk值。

    2.2.2 Mmap映射区域操作相关函数

mmap()函数将一个文件或者其它对象映射进内存。文件被映射到多个页上，如果文件的大小不是所有页的大小之和，最后一个页不被使用的空间将会清零。munmap执行相反的操作，删除特定地址区域的对象映射。函数的定义如下：

#include <sys/mman.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

int munmap(void *addr, size_t length);

在这里不准备对这两个函数做详细介绍，只是对ptmalloc中用到的功能做一下介绍，其他的用法请参看相关资料。

参数：
　　start：映射区的开始地址。
　　length：映射区的长度。
　　prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。是以下的某个值，可以通过or运算合理地组合在一起。Ptmalloc中主要使用了如下的几个标志：
　　PROT_EXEC //页内容可以被执行，ptmalloc中没有使用
　　PROT_READ //页内容可以被读取，ptmalloc直接用mmap分配内存并立即返回给用户时设置该标志
　　PROT_WRITE //页可以被写入，ptmalloc直接用mmap分配内存并立即返回给用户时设置该标志
　　PROT_NONE //页不可访问，ptmalloc用mmap向系统“批发”一块内存进行管理时设置该标志

　　flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。它的值可以是一个或者多个以下位的组合体

　　MAP_FIXED //使用指定的映射起始地址，如果由start和len参数指定的内存区重叠于现存的映射空间，重叠部分将会被丢弃。如果指定的起始地址不可用，操作将会失败。并且起始地址必须落在页的边界上。Ptmalloc在回收从系统中“批发”的内存时设置该标志。
　　MAP_PRIVATE //建立一个写入时拷贝的私有映射。内存区域的写入不会影响到原文件。这个标志和以上标志是互斥的，只能使用其中一个。Ptmalloc每次调用mmap都设置该标志。
　　MAP_NORESERVE //不要为这个映射保留交换空间。当交换空间被保留，对映射区修改的可能会得到保证。当交换空间不被保留，同时内存不足，对映射区的修改会引起段违例信号。Ptmalloc向系统“批发”内存块时设置该标志。
　　MAP_ANONYMOUS //匿名映射，映射区不与任何文件关联。Ptmalloc每次调用mmap都设置该标志。

　　fd：有效的文件描述词。如果MAP_ANONYMOUS被设定，为了兼容问题，其值应为-1。
　　offset：被映射对象内容的起点。