Linux进程的内存管理malloc和mmap怎么使用

malloc

在linux标准libc库种，malloc函数的实现会根据分配内存的size来决定使用哪个分配函数，当size小于等于128KB时，调用brk分配；当size大于128KB时，调用mmap分配内存。size可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节。如下图：

• sys_brk分配过过程主要是调整brk位置

• sys_mmap分配过程中主要是在堆和栈中间(memory mapping segment)找一段空闲的虚拟内存

brk

堆内存是由低地址向高地址方向增长。分配内存时，将heap段的最高地址指针mm->brk往高地址扩展。释放内存时，把mm->brk向低地址收缩。

完成这段申请后，只是开辟了一段区域，通常还不会立马分配物理内存，物理内存的分配会发生在访问时出现缺页异常后再处理，这个后续文章咱们再进一步分析。

SYSCALL_DEFINE1(brk, unsigned long, brk)
{
......
 //都需要页对齐，方便映射,mm->brk可以理解为end_brk，即当前进程堆的末尾
 newbrk = PAGE_ALIGN(brk);
 oldbrk = PAGE_ALIGN(mm->brk);
 if (oldbrk == newbrk)
  goto set_brk;

 /* Always allow shrinking brk. */
 if (brk <= mm->brk) {
  //对heap收缩，调用free就会满足这个条件，减少堆，执行unmap
  if (!do_munmap(mm, newbrk, oldbrk-newbrk, &uf))
   goto set_brk;
  goto out;
 }

 /* Check against existing mmap mappings. */
 next = find_vma(mm, oldbrk);
 if (next && newbrk + PAGE_SIZE > vm_start_gap(next))
  goto out;

 /* Ok, looks good - let it rip. */
 //对heap扩展，是brk函数的核心，里面创建一个vma，然后instert全局链表中
 if (do_brk_flags(oldbrk, newbrk-oldbrk, 0, &uf) < 0)
  goto out;

set_brk: //设置这次请求的brk到进程描述符mm->brk中
 mm->brk = brk;
 populate = newbrk > oldbrk && (mm->def_flags & VM_LOCKED) != 0;
 up_write(&mm->mmap_sem);
 userfaultfd_unmap_complete(mm, &uf);
 if (populate)
  mm_populate(oldbrk, newbrk - oldbrk);
 return brk;

out:
 retval = mm->brk;
  //释放信号量
 up_write(&mm->mmap_sem);
 return retval;
}

大概流程整理如下：

mmap

• 私有匿名映射：通常用于内存分配，堆，栈

• 共享匿名映射：通常用于进程间共享内存，在内存文件系统中创建/dev/zero设备

• 私有文件映射：通常用于加载动态库，代码段，数据段

• 共享文件映射：通常用于文件读写和进程间通信

如果想进一步了解释，请参考文章《告别“一页障目”》。

unsigned long do_mmap(struct file *file, unsigned long addr,
   unsigned long len, unsigned long prot,
   unsigned long flags, vm_flags_t vm_flags,
   unsigned long pgoff, unsigned long *populate,
   struct list_head *uf)
{
 ......
 //获取未映射区域
 addr = get_unmapped_area(file, addr, len, pgoff, flags);
 if (offset_in_page(addr))
  return addr;

 addr = mmap_region(file, addr, len, vm_flags, pgoff, uf);
 ......
 return addr;
}

整理流程如下：