Linux虚拟内存映射之brk/sbrk，map/munmap

最新推荐文章于 2022-11-10 14:28:14 发布

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本文介绍了Linux虚拟内存的概念，包括逻辑地址与物理地址的映射，以及两种内存分配方式：brk/sbrk函数用于动态分配和释放堆内存，mmap/munmap则用于内存映射。讨论了brk/sbrk的使用，如sbrk(0)获取未映射空间的首地址，并通过调整指针进行内存分配。同时提到了mmap用于匿名映射和文件映射，及其参数详解。

摘要生成于 C知道，由 DeepSeek-R1 满血版支持，前往体验 >

一.关于虚拟内存

问题:

一个程序不能访问另外一个程序的地址指向的空间.

理解:

1.每个程序的开始地址ox8048000（？可由objdump 反汇编得到）

2.程序中使用的地址不是物理地址,而是逻辑地址(虚拟内存).

逻辑地址仅仅是编号.编号使用int 4字节整数表示.

4294967296=4G

每个程序提供了4G的访问能力（32位机，下同）

问题:

逻辑地址与物理地址关联才有意义:过程称为内存映射.

背景:

虚拟内存的提出:禁止用户直接访问物理存储设备.

有助于系统的稳定.

结论:

虚拟地址与物理地址映射的时候有一个基本单位:至少会映射4K

4k 1000 内存页.

段错误:无效访问. 那段内存没有映射

合法访问:比如malloc分配的空间之外的空间可以访问,但访问非法.因是越界访问

内存访问分两种：一个是可以访问，但不一定是合法的，比如malloc几个字节，

内存会给你映射4K空间，int*p=malloc(0); *(p+1000)=9999;理论说这是可以访问，但是非法的，它可能破坏维护malloc分配的数据结构，就跟虚表指针一样。

二.虚拟内存的分配

栈:编译器自动生成代码维护

堆:地址是否映射？映射的空间是否被管理？

1.brk/sbrk内存映射函数

分配释放内存:

int brk(void *end);//分配空间,释放空间

void *sbrk(int size);//返回空间地址

应用:

1.使用sbrk分配空间

2.使用sbrk得到没有映射的虚拟地址.

第一次调用sbrk，sbrk(0)得到的是没有映射的虚拟首地址。

3.使用brk分配空间

4.使用brk释放空间

理解:

sbrk(int size)

如果是第一次运行，则返回没有映射的空闲空间首地址，同时产生一个数据：指向地址

sbrk与brk后台系统维护一个指针.

指针默认是null.

调用sbrk,判定指针是否是0,

是:得到大块空闲空间的首地址初始化指针.同时把指针+size

否:返回指针,并且把指针位置+size

demo:

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>

main()
{
	int *p=sbrk(0); //返回的是空闲空间的首地址，然后系统给映射一个页
	//*p=800;  //段错误
	int *p1=sbrk(4);//返回空闲地址，然后系统给映射4K  并修改指针为＋size
					//先看一下指针是否为空，如果是空，就返回空闲空间的首地址，
					//然后再看里面的参数是几个字节，再看一下这几个字节是否有空间，
					//没空间的话就映射空间，然后把指针+4
	*(p1+10)=4000; //可以访问，反正系统给映射了4K空间大小，但是是非法的

	int *p2=sbrk(0);  //返回的是首地址+4
  
	p2=sbrk(200);
	int *p3=sbrk(0); //得到的地址是首地址+204

	int *p4=sbrk(-4);//释放4个字节的空间
	int *p5=sbrk(-4);
	printf("%p\n",p);	
	printf("%p\n",p1);
	printf("%p\n",p2);
	printf("%p\n",p3);
	printf("%p\n",p4);
	printf("%p\n",p5);
	printf("%d\n",getpid());
	
	/*
	int *p=sbrk(0);
	brk(p+1);//brk改变的是绝对位置
	*p=800;
	*/
	brk(p);
	
	//*p=99;//段错误
	
	//while(1);
}

/*输出：
0x8909000
0x8909000
0x8909004
0x89090cc
0x89090cc
0x89090c8
15945
*/

应用案例:

写一个程序查找1-10000之间所有的素数.

并且存放到缓冲,然后打印.

缓冲的实现使用sbrk/brk

流程:

循环

判定是否素数(isPrimer)

是,分配空间存放

不是,继续下步.

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
int isPrimer(int a)
{	
	int i;
	for(i=2;i<a;i++){
		if(a%i==0) 
			return 1;
	}
	return 0;
}

main()
{
	int i=2;
	int b;
	int *r;
	int *p;
	p=sbrk(0);
	r=p;
	for(;i<100;i++){
		b=isPrimer(i);
		if(b==0){
			brk(r+1);
			*r=i;
			r=sbrk(0);
		}
	}
	
	i=0;
	r=p;
	while(r!=sbrk(0)){
		printf("%d\n",*r);
		r++;
	}
	brk(p);//free
}

2.mmap/munmap内存映射函数

没有任何额外维护数据的内存分配。

mmap(分配)/unmap(释放)

1.函数说明

void *mmap(

void *start,//指定映射的虚拟地址 0由系统指定开始位置）

size_t length,//映射空间大小pagesize倍数

int prot,//映射权限 PROT_NONE | PROT_READ PROT_WRITE PROT_EXEC

intflags,//映射方式

int fd,//文件描述符号

offset_t off);//文件中的映射开始位置(必须是pagesize的倍数)

映射方式：

内存映射：匿名映射。

文件映射：映射到某个文件

只有文件映射最后两个参数有效。

MAP_ANONYMOUS

MAP_SHARED MAP_PRIVATE(二选一)

2.demo

#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>
main()
{
	int *p=mmap(
		NULL,
		getpagesize(),
		PROT_READ,
		MAP_ANONYMOUS|MAP_SHARED,
		0,0);
	*p=20;
	*(p+1)=30;
	*(p+2)=40;
	
	printf("%d\n",p[2]);
	munmap(p,4096);
}

三.总结:

智能指针（指针池）

STL

new

malloc (小而多数据)

brk/sbrk (同类型的大块数据,动态移动指针)

mmap/munmap(控制内存访问/使用文件映射/控制内存共享)

异常处理

int brk(void*)

void *sbrk(int);

如果成功.brk返回0 sbrk返回指针

失败 brk返回-1 sbrk返回(void*)-1