内存管理知识总结 -王晶晶一：概念总结： 虚拟内存和物理内存的区别，关系和映射： 每个进程都有一个虚拟内存，当一个进程获得CPU 运行时，它的虚拟内存就被CPU 所 知，但是根据虚拟内存，CPU是无法执行该进程的，CPU必须知道其相应的物理内存的地 址才能运行该进程。 所以在虚拟内存和物理内存之间就需要建立一个映射关系。而这个关系 是通过页表来实现的。 所以， 一个进程它不但对应一个自己独立的虚拟内存， 它还要有一个 属于自己的页表。所以当进程发生切换时，虚拟内存和页表也要发生切换。 那在切换之前该进程的虚拟内存和页表是存放在磁盘中的，所以转换的时候就是将该进 程的虚拟内存和页表从磁盘切换到内存。物理内存的大小是有限的，但是CPU 一次只能执 行一个进程，所以物理内存的大小来应付一个进程的还是可以的，所以对于其他暂不执行的 进程就将它们的虚拟内存地址存放在磁盘上。如果一个进程所需的物理内存过大， 可以分段 为其分配物理内存，即执行到哪段内容就为其分配物理内存。 可以这么说：虚拟内存的引入就是为了补充物理内存空间不足的问题。实现方式就是： 先给进程分配一个虚拟内存， 将其存放在磁盘上， 由于CPU 在同一时刻只会执行一个进程， 所以这些进程的虚拟内存地址之间不存在任何的冲突， 即为它们分配的虚拟内存地址可以是 一样的。运行哪个进程的时候就将其虚拟内存调入内存，根据其虚拟内存的地址和页表得出 其物理地址，此时CPU 是不管其它进程的虚拟内存，而且这些虚拟内存此时对CPU 是不可 见的， 因为它们现在都存放在磁盘上。 当该进程执行完后， 就将其换出， 将下一个进程换入， 现在物理内存就又归这个进程。而之前那个进程在物理内存中的内容已经换出，存放到磁盘 上，所以即便时同一段物理内存，都不同的进程来说，其内容并不冲突。 在书上有这么一段话: 每个进程都有自己的似有用户空间(0-(3G-1)B),这个空间都其他进程是不可见的。 最高 的1GB的内存空间(内核空间)则由所有进程及内核共享。 任意时刻，在一个CPU 上只有一个进程在运行，所以对此CPU 来说，在这一时刻，只 存在一个虚拟的4GB 的内存空间， 这个虚拟地址空间是面向此进程的。 当发生进程切换是， 虚拟地址空间也随着切换。由此可以看出每个进程都有自己的虚拟地址空间， 只有此进程运 行的时候，其虚拟地址空间才被运行它的CPU所知。在其他时刻，其虚拟地址空间对CPU 来说是不可知的。所以，尽管每个进程都可以有4GB的虚拟地址空间，但在CPU眼中，只 有一个虚拟地址空间存在。虚拟地址空间随进程的切换而变化。 例：一个进程从其用户空间的地址0x1234ABCD处读取整数8，而另外一个进程从其 用户空间的地址读取整数20，这取决于进程自身的逻辑。二：进程的用户空间： 进程的用户空间从上到下分为：堆栈段，空洞(动态内存或堆)，数据段，代码段。 数据的存储区分为：静态存储区，堆区（动态内存分配区）和栈区（堆栈区） 。 静态存储区：内存在程序编译的时候就已经分配好，这块内存在程序的整个运行期间都 存在，它主要存放静态数据，全局数据和常量(包括字符常量)。 栈区： 在执行函数时， 函数内局部变量的存储单元都可以在栈上创建， 函数执行结束时， 这些存储单元被自动释放。 堆区：也称为动态内存分配。程序在运行时用 malloc 或 new申请任意大小的内存， 程序员自己负责在适当的时候用free 或delete来释放申请的内存。 动态内存的生命周期由程序员自己决定，但如果程序员忘记了释放内存，那么程序将在最后才释放掉动态内存。 上述所说的静态存储区就对应进程用户空间中的堆栈段，堆区就对应空洞(动态内存或 堆)，栈区对应数据段。栈区堆区静态存储区三：相关数据结构简介(为了看起来清晰点所以就先贴到博客园里面，再贴图过来，所以图 代码被分成了好几个图片，看起来可能不是很连续)： mm_struct: 源代码：堆栈段空洞数据段代码段每个进程的虚拟内存由 mm_struct结构来代表，该结构包含了当前执行影响的信息，并且 包含了一组指向vm_area_struct 结构的指针，vm_area_struct结构描述了虚拟内存的虚拟区， 该虚拟区值得就是上述用户空间划分的四个虚拟区， 这四个虚拟区在vm_area_struct 中通过vm_next 指针来链接。 部分数据结构成员简介： mmap:指向虚拟区vm_area_struct 结构的单链表的头。 mm_rb:指向虚拟区的红黑树 mmap_cache:将最近一次用到的虚存区存放到告诉缓存，mmap_cache 指向该虚存区 *get_unmapped_area:该函数指针指向在进程空间搜索虚拟区的函数。 *unmap_area:释放虚拟区的函数指针 mmap_base:标识第一个分配的匿名虚拟区或内存文件映像的线性地址 pgd:进程的页目录基地址。 mm_users:存放共享该数据结构的轻量级进程的个数 mm_count:内存描述符的计数器，每次mm_count递减的时候，都要检查其值是不是0， 如果是就要解除这个内存描述符，因为已经没有用户进程在使用它。 map_count:虚存区的个数 semaphore：对mm_struct结构进行串行访问所使用的信号量 start_code,end_code,start_data,end_data:进程的代码段和数据段的起始地址和结束地 址 start_brk,brk:空洞(堆)的起始地址和结束地址 start_stack:堆栈段的起始地址 arg_start,arg_end:命令行参数在堆栈部分的起始地址和终止地址 env_start,env_end:环境字符串所在堆栈部分的起始地址和终止地址 mmap:vm_area_struct 虚存区结构形成的单链表，其基地址由小到大排列 mmap_avl:vm_area_struct虚存区结构形成的 AVL平衡树vm_area_struct 数据结构：描述进程用户空间的一个虚拟内存空间 源代码：部分结构体成员简介： vm_mm:指向虚存区所在的mm_struct 结构的指针 vm_start,vm_end:虚存区的起始地址和终止地址 vm_page_prot:虚存区的保护权限 vm_flags:虚存区的标志，即VM_READ,VM_WRITE,VM_EXEC（rwx） vm_next:构成线性链表的指针，按虚存区基址从小到大排列 vm_avl_height,vm_avl_left,vm_avl_right:这 三 个 域 一 起 构 成 了 AVL 树 ， 其 中 vm_avl_height是该节点距根节点的高度，vm_avl_left和vm_avl_right分别是该节点的 左右两个子树 vm_ops:对虚存区进行操作的函数。给出可以对虚存区中的页所做的操作。 Vm_pgoff:虚存空间起始地址在所描述文件里面的文件偏移，单位为物理页面 vma(虚存区)是可以被共享和保护的独立实体。 引入 vm_area_struct结构的原因是： 进程的虚存区通常是不连续的，而且不同的虚存区的属性不同， 所以一个进程的虚存区需要 多个 vm_area_struct数据结构来描述。 在vm_area_struct 中引入AVL 平衡树的原因是：在虚存区数目较少的时候，用单链表通 过vm_next 指针来链接，以基地址升序的顺序来排列，但是当虚存区过多时使用这种方法 来链接各虚存区，效率就会受到影响，所以采用AVL平衡树来解决这个问题。四，mmap和 munmap函数的简介： 头文件为#include mmap 函数原型：void* mmap(void*start, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);功能：将一个文件或者其他对象映射到内存，返回其映射在内存的起始地址。参数说明：start： 是映射地址， 指向欲对应的内存起始地址， 通常设置为NULL， 由系统自动选定地址，对应成功后，该地址以返回值返回。length：是映射长度，文件中多大的部分映射到内存。prot：是映射保护权限, 可以是PROT_EXEC, PROT_READ, PROT_WRITE, PROT_NONE （页不可访问） ，这 4种权限可以结合使用。flags：是指映射类型, 可以是MAP_FIXED, MAP_PRIVATE, MAP_SHARED, 该参数必须 被指定为MAP_PRIVATE和MAP_SHARED其中之一, MAP_PRIVATE 是创建一个写时拷贝 映射(copy-on-write), 也就是说如果有多个进程同时映射到一个文件上, 映射建立时只是 共享同样的存储页面, 但是某进程企图修改页面内容, 则复制一个副本给该进程私用, 它的 任何修改对其它进程都不可见.而MAP_SHARED 则无论修改与否都使用同一副本, 任何进 程对页面的修改对其它进程都是可见的.其中, 如果flags 的MAP_FIXED不被置位, 则该参 数通常被忽略。fd：是映射文件的文件描述符offset：是映射文件中的偏移地址，通常设置为0，代表从文件的开始处开始映射，offset 必须是分页大小的整数倍。返回值说明：映射成功则返回映射区的内存起始地址，否则返回MAP_FAILED（-1） 。一般情况下将返回之强制转换为 char*，然后就可以对其执行有关字符串的操作，当然在 这之前，先要在该字符串的最后加上/0,对应的程序段为：fd = open(argv1, O_RDWR |O_CREAT, S_IRUSR | S_IWUSR); flength= lseek(fd, 1, SEEK_END); /* 在文件最后添加一个空字符，以便对其进行字符串的操作 */ write(fd, “0“, 1); lseek(fd, 0, SEEK_SET); /允许读，不允许其它进程访问此内存区域 mapped_mem = mmap(start_addr, flength, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0)；munmap 函数原型： 功能：删除文件或者其他对象在内存中的映射。 int munmap(void *start, size_tlength);参数说明： start:文件在内存中映射的起始地址； length：文件映射在内存中的长度。 函数返回值：成功返回-1。出错返回 errno，其值被设为以下的某个值：EACCES：访问出错EAGAIN：文件已被锁定，或者太多的内存已被锁定 EBADF：fd不是有效的文件描述词 EINVAL：一个或者多个参数无效 ENFILE：已达到系统对打开文件的限制ENODEV：指定文件所在的文件系统不支持内存映射 ENOMEM：内存不足，或者进程已超出最大内存映射数量 EPERM：权能不足，操作不允许 ETXTBSY：已写的方式打开文件，同时指定MAP_DENYWRITE 标志 SIGSEGV：试着向只读区写入 SIGBUS：试着访问不属于进程的内存区一般情况下内存的映射步骤： 1. 用open函数打开文件，并返回文件描述符； 2. 用mmap 建立内存映射，并返回映射首地址 start 的指针； 3. 对文件的映射进行操作，例如printf,sprintf. 4. 用munmap(void*start, size_t length)关闭内存映像； 5. 用close 关闭文件描述符为 fd 的文件。 memcpy 函数简介： #include 函数原型： void *memcpy(void *dest, const void *src, size_t n); 功能：将src 中的内容复制到 dest 中，复制长度为 n。 参数简介： dest：为目标地址；src：为源地址； n：为字符串长度。 返回值：返回被赋值后的dest字符串指针。五，相关程序示例：