说说LINUX程序内存管理那些事

说说LINUX程序内存管理那些事

在LINUX系统中，在内存管理方面，为考虑到简便高效，就像UNIX那样，有时会出现这样的情形，刚刚释放的内存，这时内存已经是无效的了，但是仍然可以访问，这是因为暂时释放的区域实际上根本就没有真正地回收，不过可能过不一会儿就变成无效的了，这是一种延迟回收的策略，如果一直使用一个被释放了的指针，可能会刚开始时，一切都正常，可过会儿就出现地址越界而导致程序出错（在有的系统中，比如Windows和Minix中，如果刚刚释放了一块内存，内核马上修改一下刚刚释放的指针的前几个字节，这样的话会降低系统的性能，这种方式对编程习惯良好的程序员来说是不必要的，在Linux和FreeBSD系统中就没有采用）。

如果一个初学者写了程序，把释放的内存又拿来用，可能程序运行得畅通无阻，这是因为在LINUX中，如果用free()函数释放一个地址，系统只是简单标记一下这个地址已经变成可用状态了（available），先前状态则是busy（因为它正在被使用），但是涉及到地址是否可以读写保护等属性都不管了，然后内核转而去做更加正经的事了。如果一个程序分配内存频繁，内核找到刚才被释放的那块被标记了available的内存，然后把它分给调用malloc()的调用者，如果上次还在用那个释放了的内存，这是程序就会出现SengmentFault的错误了，有时会dump出程序的内存映射列表的信息，如果内存分配频率低，错误的程序可能仍然可以运行得畅通无阻。

所以对于程序员来说，malloc和free必须要成对出现，因为free释放内存是标记一下就立马走人。若指针不当使用可能就会出现这样的情况，看上去正常的程序其实是有错的，它只是暂时不崩溃，但是把它放到一个内存小一点的计算机上，或者本地计算机内存将待耗尽时，它就崩溃了。不良的指针使用就导致一个不确定的炸弹的产生，虽然不一定马上就炸，但是过会儿，甚至马上就炸。

下面一个小例子说明这种问题：

假如要实现这样一个函数：

根据所提供的参数size，即内存的大小，来调整内存，每次调用这个函数内存增加1K字节，并且要返回上次内存的尾端位置的指针。

代码如下：

void* incmem(void**ptr, long* size)
{
  void* retp = *ptr+ *size; /* 这是上次指针的尾端*/
  *size += 1024; /*1K字节*/
  *ptr = realloc(*size);
  return retp;
}

很明显上面的代码是有误的，因为realloc返回的指针不一定和上次相等，retp看似是尾端，但是下面可能已经把*ptr的值改掉了。而在LINUX系统可能上面的代码在运行时并没有任何异常。

如把代码改成这样：

void* incmem(void**ptr, long* size)
{
  long oldsize =*size; /* 原来内存的大小*/
  *size += 1024;
  *ptr = realloc(*size);
  return *ptr +oldsize;
}

才可保证程序代码的正确性。

在LINUX中其实可以自己写个内存管理的辅助函数库，自己用代码实现malloc，realloc，free等这些函数，或者把函数名字改下，改成据如_malloc，_realloc，_free等自定义又便于与标准函数对应的函数，申请内存时，调用自己的函数，自己用这些函数监控内存的使用情况，判断内存是否出错，并且给内存设置保护信息等，当确定自己的程序代码在内存申请与释放没有错误时，再用define把自定义的函数定义成标准的函数，

比如：

#ifndef	 DEBUG
  #define _malloc(s)malloc(s)
// ...
#else
  #include“mymalloc.h”
#endif

编写这些代码可以很简单，举个简单例子，就是仅仅改一下free()函数，让它每次释放内存后，就置原来的指针为0，但是如果涉及realloc()函数的话，如果free()时，置0的那个指针还有个备份，它仍然可以被误用，那这些方法就都不管用了。也可以把代码编写得很复杂，是个技术活，比如说自己写个类似系统内核内存管理的仿真器，在自己的仿真器中，监控这些内存，分配内存时，挖一块出来，释放内存后，添一块，并把它设置为无效的（需要结合系统的函数来实现，比如用mmap()来申请内存块，用mprotect()来给刚刚释放的内存设置为PROT_NONE，用munmap()释放，复杂一点，可以不急于释放而是用mprotect来标记，这样可以加快内存的申请速度，这就需要自己来管理内存的，用虚拟页方式调试内存错误是切实可行的，但是内存的分配效率是不及普通的malloc类函数的），也可以利用malloc_hook这样的函数，给这些函数安装钩子，也是可行的工具之一。在内存调试方面，有些现成的库，如MEMWATCH，YAMD，ElectricFence等，如果感兴趣的话，可以在网上搜一下，然后拿来用。

下面再说个函数的堆栈参数或寄存器参数传递问题：

堆栈内存管理遵从先进后出的原则。

比如有如下代码：

long size = 1024;
char* ptr = (char*)malloc(size);
char* last = (char*)incmem(&ptr, &size);

这里只要涉及修改参数的都要用指针传递，否则的话在函数调用返回后，修改了的值仍然得不到保存，被从栈中弹出而废弃了。

如果有如下函数：

void* incmem(void*ptr, long size)
{
  long	oldsize =size;
  size += 1024;
  ptr =realloc(size);
  return ptr +oldsize;
}

这是一个存在错误的函数，函数虽正确修改了内存并掉整了大小。但是却把它放到了栈中，函数退出时，ptr和size都被自动废弃了。

如有调用代码：

long size = 1024;
char* ptr = (char*)malloc(size);
char* last = (char*)incmem(ptr, size);

用汇编代码描述如下：

在32位的INTEL80x86平台下：

ptr: dword 0
size: dword 0

push ptr
push size
call incmem

ptr和size都临时放在了CPU的指令使用的栈中，函数修改了栈中的值，而没能更改ptr和size的值。

在64位的AMD64平台下（或者INTELx86_64）:

ptr: dword 0
size: qword 0

movq ptr, %rcx
movq size, %rdx
call incmem

用寄存器传递也一样，修改了的值是在寄存器里面，不在ptr和size上，所以仍然是错误的。

所以要想获得正确的结果，就必须传递要引用的参数的指针，因为传递指针时，堆栈或者寄存器中的值是表示ptr和size的地址，引用此地址的值将导致直接引用ptr和size，也就是callincmem上面的那两行处，函数调用返回后，pop出而废弃的两个地址数值是无关数值（其实这两个地址数并没有修改，修改的值是这两个地址数表示的地址处的数值）。