Linux系统编程学习笔记（七）内存管理

内存管理：
对于一个进程来说，内存是最基本的也是最重要的资源之一。内存管理包括：内存分配、内存操作和内存释放。
1、进程地址空间：
Linux将物理内存虚拟化，内核为每一个进程维护一个特殊的虚拟地址空间。这个地址是线性的，从0开始，
到某个最大值。
1）页和页面调度
虚拟地址空间由很多页组成。系统的体系结构和机型决定了页的大小，典型的页大小包括4kb（32位系统）
和8k（64位系统）。每个页面都只有无效和有效两种状态:一个有效的页面和一个物理页或者一个二级存储
介质相关联（一个交换分区或者一个一盘文件），一个无效页没有关联，代表没有分配或者使用。地址空间
无须是连续的，虽然是线性编址，但是中间也有很多未编址的小区域。
2）共享和复制
虚存中的多个页面，甚至是属于不同进程的虚拟地址空间，也有可能被映射到同一个物理页面。这样允许不同
的虚拟地址空间共享物理内存的数据。
另一种情况是MMU会截取这次写操作并产生一个异常；作为回应，内核会透明的创造一份这个页的拷贝以供该
进程进行写操作，这种方式被称为写时拷贝。
3）内存区域
每一个进程都有以下区域：
1）文本区域：包含了程序的代码，字符串，常量和一些只读数据。在Linux中，文本段被标示为只读，并且直接
从目标文件映射到内存。
2）栈段（stack segment）包括了一个进程的执行栈，随着栈的深度动态的增长和收缩。包括程序的局部变量和函数的返回值。
3）数据段，又叫堆，包含了一个进程动态存储空间。它的大小可以变化，是有malloc动态申请，free动态释放的。
4）bss段（bss segment）包含了没有被初始化的全局变量。这些变量根据不同的c标准都有相应的初始值。
Linux从两个方面优化：首先，这个段是用来存放没有初始化的数据，所以连接器实际并不会将特殊的值存储在对象文件，
这样可以减少二进制代码文件的大小。其次，当这个段被加载到内存时，内存只需要简单的根据写时复制的原则将它们
映射到一个全是0的页上，这样非常高效的设置了初始值。
5）很多地址空间包含多个映像文件，比如可执行文件的本身、c和其他的链接库，还有数据文件。可以查看/proc/self/maps
或者pmap的输出查看进程的映像文件。
2、动态申请内存：
内存可以通过自动变量或者静态变量获得，但是所有的内存管理系统的基础都是动态内存的分配、使用和最终的释放。
动态内存是在进程运行时才分配的，而不是在编译时就分配好了，分配的大小也只有在分配时才确定。
1）C中最经典的为获得动态内存的接口是malloc：

#include <stdlib.h>

void *malloc(size_t size);

成功时，malloc会得到size大小的内存区域，并返回一个指向这部分内存首地址的指针。这块内存区域内容未定义，不要自认为
全是0，失败是返回NULL，并设置errno错误值为ENOMEM。
例子：

char *p;

p = malloc(2048);
if(!p)
	perror("malloc");

或者这样的：

struct treasure_map *map;

map = malloc(sizeof(struct treasure_map));
if(!map)
	perror("malloc");

每次调用时，c会自动把返回值由void指针转换为需要的类型，但是c++不提供这种自动转换。
因而需要使用者强制转换。
2）数组分配：
当所需分配的内存大小本身是可变时，动态内存将更复杂。为数组分配动态内存是一个很好的例子：
数组元素的大小已经确定，但是元素的个数是变化的，为了处理这种情况，c提供了一个calloc函数：

#include <stdlib.h>

void *calloc(size_t nr,size_t size);

成功返回指向一个可以存储下整个数组的内存(nr个元素，每个size个字节）,
失败返回NULL，并设置errno为ENOMEM。
以下是使用malloc和calloc申请方法：

int *x, *y;
x = malloc(50 * sizeof(int));

if(!x){
	perror("malloc");
	return -1;
}

y = calloc(50,sizeof(int));
if(!y){
	perror("calloc");
	return -1;
}

但这两个函数的行为是有区别的，与malloc不同的是，calloc将分配的区域全部初始化为0。
memset可以用指定得值填充指定的内存块，但calloc会更快，因为内核可以提供本已清0的
内存块。
3）调整已存在内存大小：
C语言提供了一个接口来改变已经得到的动态内存大小：

#inlcude <stdlib.h>

void *realloc(void *ptr, size_t size);

成功调用realloc将ptr指向的内存区域的大小为size字节。它返回一个指向新空间的指针，当
试图扩大内存空间时，由于不能在已有的空间增加size大小，返回的指针可能不再是ptr，这需要
申请另外一块size大小的空间，将原本的数据拷贝到新空间中，然后再将旧的空间释放，所以
可能相当耗时。
如果size是0，效果就跟ptr上调用free相同。
如果ptr是NULL，则效果和malloc一样，如果ptr是非NULL的，那么它必须是malloc，calloc和
realloc之一的返回值。
失败时返回NULL，并设置errno为ENOMEM，这时ptr指向的内存区域没有改变。

p = calloc(2,sizeof(struct map));
if(!p){
	perror("calloc")
	return -1;
}
/**使用p[0],p[1]**,使用完想复用p的内存空间**/
 
r = realloc(p,sizeof(struct map));
if(!r){
	perror("realoc");
	return -1;
}
free(r);

3、动态内存的释放：
自动内存分配，当栈不在使用，空间会被自动释放，而动态内存空间需要显示的释放，否则会一直占用进程的地址
空间，导致内存泄露。
当通过malloc、calloc、realloc分配到的内存不再使用的时候，需要使用free来将内存归还给系统：

#include <stdlib.h>

void free(void *ptr);

ptr可能是NULL，但是free这时候什么不做就返回了，不需要调用free之前检查ptr是否为NULL。
4、对齐：
数据对齐是指数据地址和由硬件确定的内存块之间的关系，一个变量的地址是它大小的整数倍，就叫做自然对齐。
如果一个32bit长的变量，它的地址是4（字节）的整数倍，那么这就是自然对齐了。所以一个大小为2n个字节的
变量，那么它的地址中，至少低n为是0,才能自然对齐。
对齐是由硬件规定的，载入一个没有对齐的数据可能导致处理器错误或者性能的下降，在编写可移植的代码时，应
注意对齐问题。
在大多数情况下，编译器和c库会自动处理对齐问题。POSIX规定通过malloc、calloc、realloc返回的内存对于c中
的标准类型应该是对齐的，在linux中，这些函数返回的地址在32位系统中以8字节为边界对齐，64为则以16字节为
边界对齐。
有时候，对于更大的边界，例如页面，程序员需要动态的对齐。POSIX提供了一个叫posix_memalign的函数：

#include <stdlib.h>

int posix_memalign(void **memptr, size_t alignment, size_t size);

成功返回0，并且保证按照alignment对齐。参数aligment必须是2的整数幂和void指针大小的倍数。
失败返回：
EINVAL：参数不是2的幂，或者不是void指针的整数倍。
ENOMEM：没有足够的内存。
例子：

char * buf;
int ret;
ret = posix_memalign(&buf,256,1024);//申请1kb，256-byte边界对齐
if(ret){
	fprintf(stderr,"posix_memalign: %s\n",strerror(ret));
}
free(buf);

其他对齐问题：
比如复杂的类型，不同类型的指针进行赋值以及强制类型转换。
使用时可以按照下列四条规则：
1、一个结构的对齐要求和它的成员中最大的那个类型是一样的。
2、结构体也引入对填充的需求，以此来保证每一个成员都符合各自对齐要求。
如果一个char后跟着一个int，编译器会自动插入3个字节作为填充来保证int
是4字节对齐的。程序员应该注意成员变量的顺序，来减少填充导致的空间浪费，比如
可以按照成员变量的大小顺序来排序。gcc编译加入-Wpadded选项可以帮助你应付这个问题。
3、一个联合的对齐和联合最大的类型一致。
4、一个数组的对齐和数组元素类型一致。
指针从一个较少的字节对齐强制转化成一个较多字节的对齐类型，当通过这样的指针访问时，
会导致处理器不能对较多字节类型的数据正确对齐。比如：

char greeting[] = "Ahoy Matey";
char * c = greeting[1];
unsigned long badnews = *(unsigned long *) c;

后果不同的系统各部相同，小则性能损失，大则整个程序崩溃。在发现不能处理对齐错误的体系
结构中，内核向出问题的进程发送SIGBUS信号来终止进程。

5、数据段的管理：
linux提供了直接管理数据段的接口，然而由于malloc和其他的方法更强大和易于使用，大多数程序
都不会使用这些结构，但是如果你想基于堆的动态分配机制，可以使用这些接口。

#include <unistd.h>

int brk(void *end);
void *sbrk(intptr_t increment);

堆中动态存取器的分配有数据段底部向上生长，栈从数据段的顶部向下生长。堆和段之间的分界线
叫做中断（break）或者中断点（break point）。
调用brk会设置中断点（数据段的末端）地址为end。成功返回0，失败返回-1，并设置errno为ENOMEM。
sbrk可以将数据末端增加increment字节，increment可正可负。
POSIX和C没有定义这些函数，但几乎所有的UNIX系统都至少支持其中之一。

6、变长数组：
C99引入了变长数组，变长数组的长度在运行时决定，而不是编译的时候：

void fun(int size){
	char foo[size];
	/* do something with foo */
}

foo被动态的创建，并且在作用域之外自动释放。

int open_sysconf(const char *file, int flags, int mode){
	const char *etc = SYSCONF_DIR;
	char name[strlen(etc) + strlen(file) + 1];
	strcpy(name,etc);
	strcat(name,file);
	return open(name,flags,mode);
}

7、存储器操作：
C语言提供了很多函数进行内存操作。这些函数的功能和字符串操作函数（strcmp，strcpy）类似，但他们处理的对象
是用户提供的内存区域，而不是字符串。这些函数不返回错误信息，因此防范错误时程序员的责任。
1）字节设定：

#include <string.h>

void *memset(void *s, int c, size_t n);

将从s指向区域开始的n个字节设置为c，并返回s，它经常被用于将一块内存清零：

memset(s,'\0',256);

calloc从内存中获得一个已经清零的内存，效果会更好。
2）字节比较：

#include <string.h>

int memcmp(const void *s1, const void *s2, size_t n);

比较s1和s2的头n个字节，如果内存相同则返回0，如果s1 < s2则返回小于0的数，否则返回大于0的数。
3）字节移动：
memmove复制src的前n个字节到dst，返回dst：

#include <string.h>

void * memmove(void *dst, const void * src, size_t n);

memmove可以安全的处理内存区重叠的问题。
C标准定义了一个不支持内存区域重叠的memmove的变种，效率可能更高一些：

#include <string.h>

void *memcpy(void *dst, const void *src, size_t n);

如果重叠，结果未定义。
另一个安全的复制函数memccpy():

#include <string.h>

void *memccpy(void *dst, const void *src, int c, size_t n);

这个函数和memcpy类似，但如果它在src的前n个字节发现c，那么就停止拷贝，返回指向dst中c后一个字节的指针，
或者没有找到c时返回NULL。

#include <string.h>
#include <stdio.h>

int main(){
	char a[] = "string[a]";
	char b[] = "string[b]";
	memccpy(a,b,'b',sizeof(b));
	printf("memccpy():%s\n",a);
}

mempcpy:

#include <string.h>

void *mempcpy(void *dst, const void *src, size_t n);

和memcpy功能类似，但是返回的是被复制内存的最后一个字节的下一个字节指针。当在内存中有连续的
一系列数据需要拷贝时比较有用。
4）字节搜索：

#include <string.h>

void *memchr(const void *s, int c, size_t n);

函数返回指向第一个匹配c的字节指针，如果没有找到c则返回NULL。
memrchar和memchr类似，只是从反向搜索：

#include <string.h>

void *memrchr(const void *s, int c, size_t n);

memrchr是GNU的扩展函数，不是C语言的一部分。
在一块内存中搜索任意的字节数组：

#include <string.h>

void *memmem(const void *haystack, size_t haystacklen, const void *needle, size_t needlelen);

这个函数名字比较烂，它在指向长度为haystacklen的内存块haystack中查找，并返回第一块和长为needlelen
匹配的子块指针。如果找不到，返回NULL，这个同样是GNU的扩展函数。