Linux proc文件系统 内存影射

DBWYX2025-05-15 8:57

文章目录

常见的内存分配函数

  • malloc / calloc / realloc（来自 C 标准库）

    void *malloc(size_t size)：分配 size 字节的内存。
    void *calloc(size_t nmemb, size_t size)：分配并初始化为0的内存，大小为 nmemb * size。
    void *realloc(void *ptr, size_t size)：重新分配一块内存。
    释放函数：
    void free(void *ptr)：释放由 malloc/calloc/realloc 分配的内存。

  • mmap / munmap（Linux 系统调用级别）

    void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)：用于分配匿名内存或映射文件。
    int munmap(void *addr, size_t length)：释放 mmap 分配的内存。
    常用于共享内存、匿名内存区域的分配，灵活性更高。

    // 使用 mmap 分配匿名内存
    size_t size = 4096; // 分配 1 页（通常 4KB）大小的内存
    void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
    MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);

    if (addr == MAP_FAILED) {
    perror("mmap failed");
    return 1;
    }

/proc/pid/ 目录解析

  • /proc/<pid>/maps ： 内存映射区域概览 【程序地址空间】

    该文件列出进程的每个虚拟内存区域的信息，包括地址、权限、偏移、设备、inode 以及映射的文件（如有）。
    <起始地址>-<结束地址> <权限> <偏移> <设备号> <inode> <路径>

    如图，是从上到下为低地址向高地址的程序地址空间。

  • 2./proc/<pid>/status ------ 进程状态摘要（含内存使用情况）

    提供当前进程的状态、资源使用、权限、线程数等，常用于查看内存大小的总体信息。

    VmPeak: 132456 kB 使用过的最大虚拟内存
    VmSize: 130000 kB 当前分配的虚拟内存
    VmRSS: 20480 kB 常驻内存集（实际占用物理内存）
    VmData: 90000 kB 数据段使用内存
    VmStk: 136 kB 栈区大小
    VmExe: 1024 kB 代码段大小
    VmLib: 16384 kB 进程加载的 共享库（Shared Library） 占用的虚拟内存大小

  • 3./proc/<pid>/smaps ------ maps 的详细版（精细统计每段内存）
    该文件扩展了 maps 的内容，为每个内存段提供详细内存使用信息，如共享、私有的内存、页的大小等。

    7f0c5f000000-7f0c5f021000 rw-p 00000000 00:00 0
    Size: 132 kB 区域大小
    Rss: 20 kB 实际驻留物理内存
    Pss: 10 kB 平均共享内存
    Shared_Clean: 0 kB 被多个进程共享的页面
    Shared_Dirty: 0 kB
    Private_Clean: 0 kB 私有页面
    Private_Dirty: 20 kB
    Referenced: 20 kB 被访问过的内存
    Anonymous: 20 kB 匿名映射（如 malloc 分配的内存）
    ...

用户进程的内存空间分配算法

  1. 连续分配算法

    • 定义：为进程分配一个连续的内存区域，进程的所有数据和代码都存放在该连续空间中。

    • 典型算法：

      单一连续分配：整个内存仅分配给一个进程（早期单任务系统）。

      固定分区分配：内存划分为若干固定大小的分区，每个分区装入一个进程。

      动态分区分配：根据进程需求动态划分内存，如首次适应、最佳适应算法。【连续分配算法】

      • 首次适应算法（First Fit）：从空闲分区链的起始位置开始扫描，找到第一个大小足够满足请求的空闲分区，将其分割后分配给进程。
      • 最佳适应算法（Best Fit）：遍历整个空闲分区链，找到大小最接近请求且不小于请求的空闲分区进行分配。（实际上碎片化问题更严重）

    • 特点：实现简单，但内存碎片问题严重，空间利用率低。

  2. 离散分配算法

    • 定义：将进程拆分为多个部分，分配到不连续的内存块中，通过地址映射机制（如页表、段表）实现逻辑地址到物理地址的转换。
    • 典型算法：
      分页存储管理：进程划分为固定大小的页（Page），内存划分为页框（Frame），页与页框一一对应。
      分段存储管理：进程划分为逻辑上独立的段（Segment），如代码段、数据段，各段分配独立的内存区域。
      段页式存储管理：结合分段和分页，先分段再分页。
    • 特点：有效解决内存碎片问题，支持虚拟内存，是现代操作系统的主流方案。

现代操作系统（如 Linux、Windows）对用户进程的内存管理采用基于分页的虚拟内存机制，属于离散分配算法的范畴，但实现细节更为复杂。

mmap 分配大内存可能不在堆中

小内存分配（通常小于 128KB）

通过 堆（Heap） 分配，使用 brk 系统调用扩展进程的堆空间，内存区域在 /proc/pid/maps 中标记为 [heap]。

大内存分配（通常大于等于 128KB）

通过 匿名映射（Anonymous Mapping） 分配，使用 mmap 系统调用在虚拟地址空间中创建独立的内存区域，这类区域在 /proc/pid/maps 中标记为 rw-p 00000000 00:00 0（无文件关联的匿名映射），不属于传统堆或共享区。

编写程序，连续申请分配六个128MB空间（记为1~6号），然后释放第2、3、5号的128MB空间。然后再分配1024MB，再分配64M内存，观察 /proc/pid/maps， 【解释说明用户进程空间分配属于课本中的离散还是连续分配算法？首次适应还是最佳适应算法？用户空间存在碎片问题吗？】

代码：

复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>

#define ALLOC_MB(x) ((x) * 1024 * 1024)

void *alloc_region(size_t size) {
    void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,
                     MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (ptr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap");
        exit(1);
    }
    return ptr;
}

void print_hint(const char *msg) {
    printf("\n==== %s ====\n", msg);
    printf("pid = %d，请查看 /proc/%d/maps\n", getpid(), getpid());
    printf("按 Enter 继续...\n");
    getchar();
}

int main() {
    void *blocks[6];

    // 分配六块 128MB 匿名内存
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        blocks[i] = alloc_region(ALLOC_MB(128));
        memset(blocks[i], 0, 1);  // 确保内存实际分配
    }

    print_hint("已分配 6 块 128MB");

    // 释放第 2、3、5 块
    munmap(blocks[1], ALLOC_MB(128));
    munmap(blocks[2], ALLOC_MB(128));
    munmap(blocks[4], ALLOC_MB(128));

    print_hint("已释放第 2、3、5 块");

    // 分配 1024MB
    void *big = alloc_region(ALLOC_MB(1024));
    memset(big, 0, 1);

    print_hint("已分配 1024MB");

    // 再分配 64MB
    void *extra = alloc_region(ALLOC_MB(64));
    memset(extra, 0, 1);

    print_hint("已分配额外的 64MB");

    sleep(60);
    return 0;
}

  • 分配 6 个 128MB 内存块：

    heap\]下一行的 7fc8c95d8000-7fc8f95d8000 即为分配的6个128MB内存块 0x7fc8f95d8000 - 0x7fc8c95d8000 = 0x30000000 = 768MB **mmap 分配的大块内存，不在 \[heap\] 上！**

    heap\]下这三段： 7fc8c95d8000-7fc8d15d8000 rw-p ... 7fc8d95d8000-7fc8e15d8000 rw-p ... 7fc8f15d8000-7fc8f95d8000 rw-p ... 刚好是 128\*3 = 384 MB. 地址连续但 有缺口，说明确实释放了中间段

    7fc8c95d8000-7fc8d15d8000 变为 7fc8895d8000-7fc8d15d8000 这是分配了1024MB内存

    0x7fc8d15d8000 - 0x7fc8895d8000 = 0x48000000 = 1207959552 bytes = 1152 MB

  • 额外分配一个 64MB 内存块：

    7fc8f15d80000-7fc8f95d80000 变为了7fc8ed5d8000-7fc8f95d8000

    = 0x7fc8f95d8000 - 0x7fc8ed5d8000

    = 0x080000000 (十六进制)

    = 128MB + 64MB = 192MB malloc 的 64MB 被放入了这块扩展后的区域中。

换为 malloc 现象相同
复制代码 
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

#define ALLOC_MB(x) ((x) * 1024 * 1024)

void *alloc_region(size_t size) {
    void *ptr = malloc(size);
    if (ptr == NULL) {
        perror("malloc");
        exit(1);
    }
    return ptr;
}

void free_region(void *ptr, size_t size) {
    free(ptr);
}

void print_hint(const char *msg) {
    printf("\n==== %s ====\n", msg);
    printf("pid = %d，请查看 /proc/%d/maps\n", getpid(), getpid());
    printf("按 Enter 继续...\n");
    getchar();
}

int main() {
    void *blocks[6];

    getchar();

    // 分配六块 128MB 内存
    for (int i = 0; i < 6; i++) {
        blocks[i] = alloc_region(ALLOC_MB(128));
        memset(blocks[i], 0, 1);  // 确保内存实际分配
    }

    print_hint("已分配 6 块 128MB");

    // 释放第 2、3、5 块
    free_region(blocks[1], ALLOC_MB(128));
    free_region(blocks[2], ALLOC_MB(128));
    free_region(blocks[4], ALLOC_MB(128));

    print_hint("已释放第 2、3、5 块");

    // 分配 1024MB
    void *big = alloc_region(ALLOC_MB(1024));
    memset(big, 0, 1);

    print_hint("已分配 1024MB");

    // 再分配 64MB
    void *extra = alloc_region(ALLOC_MB(64));
    memset(extra, 0, 1);

    print_hint("已分配额外的 64MB");

    sleep(60);
    return 0;
}

起始：

复制代码 
5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa337f61000-7fa337f83000 r--p 00000000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa337f83000-7fa3380fb000 r-xp 00022000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa3380fb000-7fa338149000 r--p 0019a000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa338149000-7fa33814d000 r--p 001e7000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814d000-7fa33814f000 rw-p 001eb000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814f000-7fa338155000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa338168000-7fa338169000 r--p 00000000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338169000-7fa33818c000 r-xp 00001000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa33818c000-7fa338194000 r--p 00024000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338195000-7fa338196000 r--p 0002c000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338196000-7fa338197000 rw-p 0002d000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338197000-7fa338198000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe3d307000-7ffe3d328000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe3d3f1000-7ffe3d3f5000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe3d3f5000-7ffe3d3f7000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

分配 6 块 128MB： 发现也不在堆中

复制代码 
5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa307f5b000-7fa337f61000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa337f61000-7fa337f83000 r--p 00000000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa337f83000-7fa3380fb000 r-xp 00022000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa3380fb000-7fa338149000 r--p 0019a000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa338149000-7fa33814d000 r--p 001e7000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814d000-7fa33814f000 rw-p 001eb000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814f000-7fa338155000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa338168000-7fa338169000 r--p 00000000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338169000-7fa33818c000 r-xp 00001000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa33818c000-7fa338194000 r--p 00024000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338195000-7fa338196000 r--p 0002c000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338196000-7fa338197000 rw-p 0002d000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338197000-7fa338198000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe3d307000-7ffe3d328000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe3d3f1000-7ffe3d3f5000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe3d3f5000-7ffe3d3f7000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

释放第 2、3、5 块后现象相同：

复制代码 
5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa307f5b000-7fa30ff5c000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa317f5d000-7fa31ff5e000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa32ff60000-7fa337f61000 rw-p 00000000 00:00 0 
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