Linux中的内存管理模型浅析

实际上这是一个内存方面的问题。要想研究这个问题，首先我们要将题目本身搞明白。由于我对Linux内核比较熟而对Windows的内存模型几乎毫不了解，因此在这篇文章中针对Linux环境对这个问题进行探讨。 

在Linux的世界中，从大的方面来讲，有两块内存，一块叫做内存空间，Kernel Space，另一块叫做用户空间，即User Space。它们是相互独立的，Kernel对它们的管理方式也完全不同。 

首先我们要知道，现代操作系统一个重要的任务之一就是管理内存。所谓内存，就是内存条上一个一个的真正的存储单元，实实在在的电子颗粒，这里面通过电信号保存着数据。 

Linux Kernel为了使用和管理这些内存，必须要给它们分成一个一个的小块，然后给这些小块标号。这一个一个的小块就叫做Page，标号就是内存地址，Address。 

Linux内核会负责管理这些内存，保证程序可以有效地使用这些内存。它必须要能够管理好内核本身要用的内存，同时也要管理好在Linux操作系统上面跑的各种程序使用的内存。因此，Linux将内存划分为Kernel Space和User Space，对它们分别进行管理。 

只有驱动模块和内核本身运行在Kernel Space当中，因此对于这道题目，我们主要进行考虑的是User Space这一块。 

在Linux的世界中，Kernel负责给用户层的程序提供虚地址而不是物理地址。举个例子：A手里有20张牌，将它们命名为1-20。这20张牌要分给两个人，每个人手里10张。这样，第一个人拿到10张牌，将牌编号为1-10，对应A手里面的1-10；第二个人拿到10张牌，也给编号为1-10，对应A的11-20。 

这里面，第二个人手里的牌，他自己用的时候编号是1-10，但A知道，第二个人手里的牌在他这里的编号是11-20。 

在这里面，A的角色就是Linux内核；他手里的编号，1-20，就是物理地址；两个人相当于两个进程，它们对牌的编号就是虚地址；A要负责给两个人发牌，这就是内存管理。 

了解了这些概念以后，我们来看看kernel当中具体的东西，首先是mm_struct这个结构体： 

struct mm_struct {
        struct vm_area_struct * mmap;           /* list of VMAs */
        struct rb_root mm_rb;
        struct vm_area_struct * mmap_cache;     /* last find_vma result */
        ...
        unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
        unsigned long start_brk, brk, start_stack;
        ...
};

mm_struct负责描述进程的内存。相当于发牌人记录给谁发了哪些牌，发了多少张，等等。那么，内存是如何将内存进行划分的呢？也就是说，发牌人手里假设是一大张未裁剪的扑克纸，他是怎样将其剪成一张一张的扑克牌呢？上面的vm_area_struct就是基本的划分单位，即一张一张的扑克牌： 

struct vm_area_struct * mmap;

这个结构体的定义如下： 

struct vm_area_struct {
        struct mm_struct * vm_mm;       /* The address space we belong to. */
        unsigned long vm_start;         /* Our start address within vm_mm. */
        unsigned long vm_end;           /* The first byte after our end address
                                           within vm_mm. */
        ....
        /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
        struct vm_area_struct *vm_next;
        ....
}

这样，内核就可以记录分配给用户空间的内存了。 

Okay，了解了内核管理进程内存的两个最重要的结构体，我们来看看用户空间的内存模型。 

Linux操作系统在加载程序时，将程序所使用的内存分为5段：text（程序段）、data（数据段）、bss（bss数据段）、heap（堆）、stack（栈）。 


text segment（程序段） 

text segment用于存放程序指令本身，Linux在执行程序时，要把这个程序的代码加载进内存，放入text segment。程序段内存位于整个程序所占内存的最上方，并且长度固定（因为代码需要多少内存给放进去，操作系统是清楚的）。 

data segment（数据段） 

data segment用于存放已经在代码中赋值的全局变量和静态变量。因为这类变量的数据类型（需要的内存大小）和其数值都已在代码中确定，因此，data segment紧挨着text segment，并且长度固定（这块需要多少内存也已经事先知道了）。 


bss segment（bss数据段） 

bss segment用于存放未赋值的全局变量和静态变量。这块挨着data segment，长度固定。 

heap（堆） 

这块内存用于存放程序所需的动态内存空间，比如使用malloc函数请求内存空间，就是从heap里面取。这块内存挨着bss，长度不确定。 

stack（栈） 

stack用于存放局部变量，当程序调用某个函数（包括main函数）时，这个函数内部的一些变量的数值入栈，函数调用完成返回后，局部变量的数值就没有用了，因此出栈，把内存让出来给另一个函数的变量使用（程序在执行时，总是会在某一个函数调用里面）。 

我们看一个图例说明： 

 

为了更好的理解内存分段，可以撰写一段代码： 

#include

// 未赋值的全局变量放在dss段
int global_var;

// 已赋值的全局变量放在data段
int global_initialized_var = 5;

void function() {
   int stack_var; // 函数中的变量放在stack中

   // 放在stack中的变量
   // 显示其所在内存地值
   printf("the function's stack_var is at address 0x%08x\n", &stack_var);
}


int main() {
   int stack_var; // 函数中的变量放在stack中

   // 已赋值的静态变量放在data段
   static int static_initialized_var = 5;

   // 未赋值的静态变量放在dss段
   static int static_var;

   int *heap_var_ptr;

   // 由malloc在heap中分配所需内存，
   // heap_var_ptr这个指针指向这块
   // 分配的内存
   heap_var_ptr = (int *) malloc(4);

   // 放在data段的变量
   // 显示其所在内存地值
   printf("====IN DATA SEGMENT====\n");
   printf("global_initialized_var is at address 0x%08x\n", &global_initialized_var);
   printf("static_initialized_var is at address 0x%08x\n\n", &static_initialized_var);

   // 放在bss段的变量
   // 显示其所在内存地值
   printf("====IN BSS SEGMENT====\n");
   printf("static_var is at address 0x%08x\n", &static_var);
   printf("global_var is at address 0x%08x\n\n", &global_var);

   // 放在heap中的变量
   // 显示其所在内存地值
   printf("====IN HEAP====\n");
   printf("heap_var is at address 0x%08x\n\n", heap_var_ptr);

   // 放在stack中的变量
   // 显示其所在内存地值
   printf("====IN STACK====\n");
   printf("the main's stack_var is at address 0x%08x\n", &stack_var);
   function();
}

编译这个代码，看看执行结果： 

 

理解了进程的内存空间使用，我们现在可以想想，这几块内存当中，最灵活的是哪一块？没错，是Heap。其它几块都由C编译器编译代码时预处理，相对固定，而heap内存可以由malloc和free进行动态的分配和销毁。 

有关malloc和free的使用方法，在本文中我就不再多说，这些属于基本知识。我们在这篇文章中要关心的是，malloc是如何工作的？实际上，它会去调用mmap()，而mmap()则会调用内核，获取VMA，即前文中看到的vm_area。这一块工作由c库向kernel发起请求，而由kernel完成这个请求，在kernel当中，有vm_operations_struct进行实际的内存操作： 

struct vm_operations_struct {
        void (*open)(struct vm_area_struct * area);
        void (*close)(struct vm_area_struct * area);
        ...
};

可以看到，kernel可以对VMA进行open和close，即收发牌的工作。理解了malloc的工作原理，free也不难了，它向下调用munmap()。 

下面是mmap和munmap的函数定义： 

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

这里面，addr是希望能够分配到的虚地址，比如：我希望得到一张牌，做为我手里编号为2的那张。需要注意的是，mmap最后分配出来的内存地址不一定是你想要的，可能你请求一张编号为2的扑克，但发牌人控制这个编号过程，他会给你一张在你手里编号为3的扑克。 

prot代表对进程对这块内存的权限： 

PROT_READ 是否可读
PROT_WRITE 是否可写
PROT_EXEC IP指针是否可以指向这里进行代码的执行
PROT_NONE 不能访问

flags代表用于控制很多的内存属性，我们一会儿会用到，这里不展开。 

fd是文件描述符。我们这里必须明白一个基本原理，任何硬盘上面的数据，都要读取到内存当中，才能被程序使用，因此，mmap的目的就是将文件数据映射进内存。因此，要在这里填写文件描述符。如果你在这里写-1，则不映射任何文件数据，只是在内存里面要上这一块空间，这就是malloc对mmap的使用方法。 

offset是文件的偏移量，比如：从第二行开始映射。文件映射，不是这篇文章关心的内容，不展开。 

okay，了解了mmap的用法，下面看看munmap： 

int
munmap(void *addr, size_t len);

munmap很简单，告诉它要还回去的内存地址（即哪张牌），然后告诉它还回去的数量（多少张），其实更准确的说：尺寸。 


现在让我们回到题目上来，如何部分地回收一个数组中的内存？我们知道，使用malloc和free是无法完成的： 

#include
int main() {
        int *p = malloc(12);
        free(p);
        return 0;
}

因为无论是malloc还是free，都需要我们整体提交待分配和销毁的全部内存。于是自然而然想到，是否可以malloc分配内存后，然后使用munmap来部分地释放呢？下面是一个尝试： 

#include
#include
#include

int main() {
    int *arr;
    int *p;
    p = arr = (int*) malloc(3 * sizeof(int));
    int i = 0;

    for (i=0;i<3;i++) {
        *p = i;
        printf("address of arr[%d]: %p\n", i, p);
        p++;
    }

    printf("munmap: %d\n", munmap(arr, 3 * sizeof(int)));
}

运行这段代码输出如下： 

 

注意到munmap调用返回-1，说明内存释放未成功，这是由于munmap处理的内存地址必须页对齐（Page Aligned）。在Linux下面，kernel使用4096 byte来划分页面，而malloc的颗粒度更细，使用8 byte对齐，因此，分配出来的内存不一定是页对齐的。为了解决这个问题，我们可以使用memalign或是posix_memalign来获取一块页对齐的内存： 

#include
#include
#include

int main() {
    void *arr;
    printf("posix_memalign: %d\n", posix_memalign(&arr, 4096, 4096));
    printf("address of arr: %p\n", arr);
    printf("munmap: %d\n", munmap(arr, 4096));
}

运行上述代码得结果如下： 

 

可以看到，页对齐的内存资源可以被munmap正确处理（munmap返回值为0，说明执行成功）。仔细看一下被分配出来的地址： 

0x7fe09b804000

转换到10进制是：140602658275328 

试试看是否能被4096整除：140602658275328 / 4096 = 34326820868 

可以被整除，验证了分配出来的地址是页对齐的。 

接下来，我们试用一下mmap，来分配一块内存空间： 

mmap(NULL, 3 * sizeof(int), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0)

注意上面mmap的使用方法。其中，我们不指定虚地址，让内核决定内存地址，也就是说，我们要是要一张牌，但不关心给牌编什么号。然后PROT_READ|PROT_WRITE表示这块内存可读写，接下来注意flags里面有MAP_ANONYMOUS，表示这块内存不用于映射文件。下面是完整代码： 

#include
#include
#include

int main() {
    int *arr;
    int *p;
    p = arr = (int*) mmap(NULL, 3 * sizeof(int), PROT_READ|PROT_WRITE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    int i = 0;

    for (i=0;i<3;i++) {
        *p = i;
        printf("address of arr[%d]: %p\n", i, p);
        p++;
    }

    printf("munmap: %d\n", munmap(arr, 3 * sizeof(int)));
}

运行结果如下： 

 

注意munmap返回值为0，说明内存释放成功了。因此，验证了mmap分配出来的内存是页对齐的。 

okay，了解了所有这些背景知识，我们现在应该对给内存打洞这个问题有一个思路了。我们可以创建以Page为基本单元的内存空间，然后用munmap在上面打洞。下面是实验代码： 

#include
#include
#include

int main() {
    void *arr;
    printf("posix_memalign: %d\n", posix_memalign(&arr, 4096, 3 * 4096));
    printf("address of arr: %p\n", arr);
    printf("address of arr[4096]: %p\n", &arr[4096]);
    printf("munmap: %d\n", munmap(&arr[4096], 4096));
}

我们申请了3*4096 byte的空间，也就是3页的内存，然后通过munmap，在中间这页上开个洞 。运行上面的代码，结果如下： 

 

看到munmap的返回为0，说明内存释放成功，我们在arr数组上成功地开了一个洞。 

这种方法，最大的局限在于，你操作的内存必须是page对齐的。如果想要更细颗粒度的打洞，纯靠User Space的API调用是不行的，需要在Kernel Space直接操作进程的VMA结构体来实现。实现思路如下： 

1. 通过kernel提供的page map映射，找到要释放的内存虚地址所对应的物理地址。 
2. 撰写一个内核模块，帮助你user space的程序来将实际的物理内存放回free list。