Linux用戶態(tài)進程的內存管理

上一篇我們了解了內存在內核態(tài)是如何管理的，本篇文章我們一起來看下內存在用戶態(tài)的使用情況，如果上一篇文章說是內核驅動工程師經(jīng)常面對的內存管理問題，那本篇就是應用工程師常面對的問題。

相信大家都知道對用戶態(tài)的內存消耗對象是進程，應用開發(fā)者面對的所有代碼操作最后的落腳點都是進程，這也是說為什么內存和進程兩個知識點的重要性，理解了內存和進程兩大法寶，對所有軟件開發(fā)的理解都會有了全局觀（關于進程的知識以后再整理和大家分享）。

下面閑話少說，開始本篇的內容——進程的內存消耗和泄漏

進程的虛擬地址空間VMA（Virtual Memory Area）

在linux操作系統(tǒng)中，每個進程都通過一個task_struct的結構體描敘，每個進程的地址空間都通過一個mm_struct描敘，c語言中的每個段空間都通過vm_area_struct表示，他們關系如下 :

上圖中，task_struct中的mm_struct就代表進程的整個內存資源，mm_struct中的pgd為頁表，mmap指針指向的vm_area_struct鏈表的每一個節(jié)點就代表進程的一個虛擬地址空間，即一個VMA。一個VMA最終可能對應ELF可執(zhí)行程序的數(shù)據(jù)段、代碼段、堆、棧、或者動態(tài)鏈接庫的某個部分。

VMA的分布情況可以有通過pmap命令，及maps，smaps文件查看，如下圖：

另，VMA的具體內容可參考下圖。

page fault的幾種可能性

我們先來看張圖：

（此圖來源于宋寶華老師）

• 如，調用malloc申請100M內存，IA32下在0~3G虛擬地址中立刻就會占用到大小為100M的VMA，且符合堆的定義，這一段VMA的權限是R+W的。但由于Lazy機制，這100M其實并沒有獲得，這100M全部映射到一個物理地址相同的零頁，且在頁表中記錄的權限為只讀的。當100M中任何一頁發(fā)生寫操作時，MMU會給CPU發(fā)page fault（MMU可以從寄存器讀出發(fā)生page fault的地址；MMU可以讀出發(fā)生page fault的原因），Linux內核收到缺頁中斷，在缺頁中斷的處理程序中讀出虛擬地址和原因，去VMA中查，發(fā)現(xiàn)是用戶程序在寫malloc的合法區(qū)域且有寫權限，Linux內核就真正的申請內存，頁表中對應一頁的權限也修改為R+W。

• 如，程序中有野指針飛到了此程序運行時進程的VMA以外的非法區(qū)域，硬件就會收到page fault，進程會收到SIGSEGV信號報段錯誤并終止。如，程序中有野指針飛到了此程序運行時進程的VMA以外的非法區(qū)域，硬件就會收到page fault，進程會收到SIGSEGV信號報段錯誤并終止。

• 如，代碼段在VMA中權限為R+X，如果程序中有野指針飛到此區(qū)域去寫，則也會發(fā)生段錯誤。（另，malloc堆區(qū)在VMA中權限為R+W，如果程序的PC指針飛到此區(qū)域去執(zhí)行，同樣發(fā)生段錯誤。）

• 如，執(zhí)行代碼段時會發(fā)生缺頁，Linux申請1頁內存，并從硬盤讀取出代碼段，此時產生了IO操作，為major主缺頁。如，執(zhí)行代碼段時會發(fā)生缺頁，Linux申請1頁內存，并從硬盤讀取出代碼段，此時產生了IO操作，為major主缺頁。

（此圖來源于宋寶華老師）

綜上，page fault后，Linux會查VMA，也會比對VMA中和頁表中的權限，體現(xiàn)出VMA的重要作用。

malloc分配的原理

malloc的過程其實就是把VMA分配到各種段當中，這時候是沒有真正分配物理地址的。malloc 調用后，只是分配了內存的邏輯地址，在內核的mm_struct 鏈表中

malloc小于128k的內存，使用brk分配內存，將_edata往高地址推(只分配虛擬空間，不對應物理內存(因此沒有初始化)，第一次讀/寫數(shù)據(jù)時，引起內核缺頁中斷，內核才分配對應的物理內存，然后虛擬地址空間建立映射關系)

malloc大于128k的內存，使用mmap分配內存，在堆和棧之間找一塊空閑內存分配(對應獨立內存，而且初始化為0)

內存的消耗VSS RSS PSS USS

首先，我們評估一個進程的內存消耗都是指用戶空間的內存，不包括內核空間的內存消耗 。這里我們用工具 procrank先來看下Linux進程的內存占用量 。

• VSS -Virtual Set Size 虛擬耗用內存（包含共享庫占用的內存）

• RSS -Resident Set Size 實際使用物理內存（包含共享庫占用的內存）

• PSS -Proportional Set Size 實際使用的物理內存（比例分配共享庫占用的內存）

• USS -Unique Set Size 進程獨自占用的物理內存（不包含共享庫占用的內存）

下面再用一張圖來更好的解釋VSS,RSS,PSS,USS之間的區(qū)別：

有了對VSS,RSS,PSS,USS的了解，我們趁熱打鐵來看下內存在進程中是如何被瓜分的：

（此圖來源于宋寶華老師）

1044，1045，1054三個進程，每個進程都有一個頁表，對應其虛擬地址如何向real memory上去轉換。

process 1044的1，2，3都在虛擬地址空間，所以其VSS=1+2+3。

process 1044的4，5，6都在real memory上，所以其RSS=4+5+6。

分析real memory的具體瓜分情況：

4 libc代碼段，1044，1045，1054三個進程都使用了libc的代碼段，被三個進程分享。

5 bash shell的代碼段，1044，1045都是bash shell，被兩個進程分享。

6 1044獨占

所以，上圖中4+5+6并不全是1044進程消耗的內存，因為4明顯被3個進程指向，5明顯被2個進程指向，衍生出了PSS（按比例計算的駐留內存）的概念。進程1044的PSS為4/3 +5/2 +6。

最后，進程1044獨占且駐留的內存USS為 6。

一般來說內存占用大小有如下規(guī)律：VSS >= RSS >= PSS >= USS

本文名稱：Linux用戶態(tài)進程的內存管理
瀏覽地址：http://www.bm7419.com/news8/101808.html

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