【学习总结】操作系统（内存布局）

0 概述

进程是操作系统进行资源分配的最小单位，而内存是进程运行必不可少的资源。
现代操作系统为每个进程分配独享的内存空间，这个独享的内存空间只是虚拟内存空间。
每次访问内存空间的某个地址（虚拟地址），都需要把地址翻译成实际物理内存地址。

进程要知道哪些虚拟地址上的数据在物理内存上，哪些不在；还有存放在物理内存上的位置，需要用页表来记录。

正因为每个进程都有一个自己的页表，使得相同的虚拟地址映射到不同的物理内存。每当切换到另一个进程时，就要通过设置MMU的某些寄存器来设置这个进程的页表，然后MMU就可以把CPU发出的虚拟地址转化到物理地址了。

1 虚拟内存地址空间布局介绍

32位模式下它是一个4GB的内存地址块

• 每个进程看到的地址空间都是一样的
• .text 都是从 0x80048000开始
• 内核地址空间都是 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF
• 用户栈都是向低地址增长
• 堆都是向高地址扩展

1.1 0x00000000 ~ 0x80048000

不能给用户访问，这里面是一些C运行库的内容，访问会报 segment fault 错误。

1.2 0xC0000000 ~ 0xFFFFFFFF

内核的逻辑地址，在用户态访问会出错，权限不够；如果向访问，需要切换到内核态，可以通过系统调用等方式；系统调用代表某个进程运行于内核，此时，相当于该进程可以访问这段内存虚拟地址（实际上只能访问该进程的某个8KB的内核栈）。

1.3 Random stack offset、Random mmap offset、Random brk offset

这些随机值意在防止恶意程序.这是一种安全机制ASLR（Address Space Layout Randomization），主要防止缓冲区溢出攻击。

Linux通过对栈、内存映射段、堆的起始地址加上随机偏移量来打乱布局，以免恶意程序通过计算获取访问栈、库函数等地址。

1.4 Stack

内核空间下面就是用户栈 Stack 地址段，栈的最大范围可以通过 prlimit 命令看到，默认情况下是8MB。

1.5 Memory Mapping Segment

这块地址是用来分配内存区域的，一般是用来把文件映射进内存用的，但是你也可以在这里申请内存空间来使用。

• mmap（）系统调用把一个文件映射到 Memory Mapping Segment 内存地址空间中
• 也可以匿名直接申请一段内存空间使用，mmap（）不一定要在 Memory Mapping Segment
  进行申请，你也可以指定任意的内存地址，当然只要不跟已有的虚拟地址冲突就好；这个地址也一定要是000结尾，才能使得页对齐（1KB）。

1.6 start_brk和brk（program break）

分别标识了堆的起始地址和结束地址。
在Linux中可以通过 brk（）和 sbrk（）这两个函数来改变 program break 的位置。

• 当我们在程序中调用 malloc（）的时候，一般就是在内部调用 sbrk（）来调整途中 brk 标识的位置向上移动。
• 当调用 free（）来释放内存空间的时候，传递给 sbrk（）一个负值来使堆的 brk 标识向下移动。当然， brk（）和
  sbrk（）所做的工作远不是简单地移动 brk 标识，还要处理将虚拟内存映射到物理内存地址等工作。
• glibc 中当申请的内存空间不大于 MMAP_THRESHOLD的时候，malloc（）使用 brk（）/ sbrk（）来调整 brk
  标识的位置，这个时候所申请到的空间确实位于图中的 start_brk 和 brk 之间；当所申请的空间大于这个阈值的时候，
  malloc（）改用 mmap（）来分配空间，这个时候所申请到的空间就位于图中的 Memory Mapping Segment 这一段内。

1.7 BSS Segment、Data Segment、Text Segment

• BSS Segment存放未初始化的静态变量，所以也就是可以随意读写；
• Text Segment 其实就是存放二进制可执行代码的位置，所以它的权限是读与可执行；
• Data Segment 存放的是静态常量，所以该地址段权限是只读。

新的进程内存布局（默认进程内存布局）导致了栈空间的固定，而堆区域和MMAP区域共用一个空间，这在很大程度上增长了堆区域的大小。

2 存放内容说明

2.1 内存空间划分

首先内存空间分为用户内存空间 和 内核内存空间；
用户内存空间也称为进程的地址空间，即对于每个用户进程可见；
用户内存空间由低地址到高地址依次为: 代码段、数据段、bbs段、内存堆区、内存映射段、内存栈区。

2.2 内核空间（Kernel space）

• 内核空间大小1G，专门给操作系统使用，用户没有操作权限。
• 内核空间通过对内存化分不同的区域来管理内存；
• 通常划分的区域为ZONE_DMA,ZONE_NORMAL,ZONE_HIGHEM，在每个区域中又通过slab层来管理内存；
• 内核管理内存的最小单位是物理页，通常在32位体系结构中支持4kb的物理页，内核直接管理物理页；
• 内核管理的内存是不会出现换出的情况的。

2.3 栈区（Stack）

存放内容：函数体的局部变量、函数调用期间的所有参数压栈、函数的返回值；
说明：栈区内存由操作系统维护，函数结束，在栈上的空间会由操作系统自己回收。

2.4 内存映射段（Memory Mapping Segment）

存放内容：动态库/静态库、文件映射、匿名映射；
说明：一切有依赖的东西都在这段区域。

2.5 堆区（Heap）

存放内容：进程运行中被动态分配的内存段，大小并不固定，malloc/calloc/realloc/new 申请堆上的空间；
说明：需要手动释放，不然会造成内存泄漏。

2.6 bss段（BSS Segment）

存放内容：未初始化的全局变量、未初始化的静态数据；
说明：bss段属于数据段
区分：

• bss段存放的数据未初始化，数据段存放的数据已初始化；
• bss段的数据未被划分空间，数据段的数据已被划分空间。

2.7 数据段（Data Segment）

存放内容：全局变量、静态类型的变量；
说明：

• 当代码编译完成后，在可执行程序这个文件中已经把这些数据的空间划分完毕；
• 在程序运行以前，操作系统就已将数据段中的数据加载到内存；
• 也就是说在进入main函数之前，该部分数据已划分好空间。

2.8 代码段（Text Segment ELF）

存放内容：可执行代码、只读常量（字符串常量等）；
说明：这段内存是只读的。

3 参考

http://durant35.github.io/2017/11/06/VM0_AddressSpace/