申请内存页面清0发生在什么时候

一、问题的引入

对于同一页物理内存，buddy系统可以分配给内核，也可以分配给用户空间，那么分配给内核的页面还给buddy系统后，页面的数据并没有清除，这时再把该物理页面分配给用户空间，那么用户空间不就可以读写该页面的数据了吗？这样内核数据就泄露了呀。

二、物理页面清0

I）用户空间申请2页内存后，发生：

1. 虚拟地址空间分配2页，修改heap对应VMA节点(权限为r+w)；
2. 修改页表，将两虚拟页对应的页表项修改为一个固定的全0物理页（该全0物 理页是在开机时确定的），权限为r--。如果这时读这两页的内存，全部都是0，一 切正常。（引申问题II）

II）写第一页，发生:

1. MMU检查该页只有r权限，发生page fault（minor，非major）；
   
2. 内核收到page fault后查看VMA，发现对应VMA记录的r+w权限；
3. 分配一个物理页修改第一页对应的页表项，并且copy原全0页面的内容，也就 是完成了新物理页的清0，该过程即COW（Copy On Write）；（引申问题III）
4. 然后返回用户态，重新执行引起page fault的指令，也即该指令实际执行两次。
5. 此时第二页的页表信息没有发生变化，还是对应全0页面。

III）写第二页，发生与II）相同过程。

以上就是内存分配的lazy机制。

三、问题结论

所以用户态从buddy系统申请到的页面都是清0的，但是清0是COW机制做的，与其他没有任何关系。所以内核释放的页面重新分配给用户态，用户态是不会读到内核数据的，因为用户态拿到的页面都是清0的。

四、引申

I）用户空间申请内存比如malloc，根据上面的分析，已经是0了，不需要memset(addr, 0, len)初始化。

答：错误。

1. Buddy系统是按页分配的大内存。而实际编程中都是申请小内存，如果直接从Buddy分配一页使用，浪费严重；
2. 所以libc库对内存进行了二级管理：libc库从buddy申请内存后，切出一块申请大小分配给用户，剩余部分管理起来，后面再切分给新申请；用户释放内存后，在没有达到收缩门限（一般为128K）的情况下，该内存不会还给buddy系统，继续由libc库管理；
3. 这时用户再申请内存，优先从libc库管理的内存中分配，这时申请到的内存不是从buddy系统来，还残留着上次写入的数据（叫就地分配）；如果libc管理的内存分配不出那么大内存，只好再从buddy系统申请内存，这时的内存是全0。
4. 由于没办法判断申请到的内存是libc库现有管理的内存，还是从buddy新申请的内存，所以最好的办法是每次用memset初始化。
5. 以上以malloc为例讲解。libc另外一个申请内存api为calloc，calloc函数会将申请到的内存清0，而且只是将申请到的内存清0，不是将整个页面清0，即calloc=malloc+memset。

II）修改VMA节点和页表修改先后顺序不确定

III)cow具体过程没有想明白，从全0页面拷贝到新页面，那么需要两个虚拟页表项，全0页面本来有一个页表项，那么新页面对应哪个页表项呢？临时找一个？先拷贝完再修改原页表项，还是先修改再拷贝？

答：内核空间会新页面建立一个临时页表项，然后把旧页数据完全拷贝到新页，最后把原页表项修改为新页面的地址。这个临时页表项，用户态是看不到的。

IV）以上是用户态的情况，kmalloc和vmalloc申请内存不会有lazy机制，新页面是立即映射的，那么也是从全0页面拷贝清0的吗？

答：不需要清0。kzalloc和vzlloc是kmalloc和vmalloc的清0版本。

 

V）栈空间呢？

 

栈空间是在进程装载是就已经确定地址和大小的。所以也符合上述分析，lazy机制，新页清0，在运行过程中，新的函数调用使用的栈内存也有可能是前面用过的栈内存，有数据残留。

 

参考资料

链接：http://www.runoob.com/cprogramming/c-memory-management.html

序号	函数和描述
1	void *calloc(int num, int size); 在内存中动态地分配 num 个长度为 size 的连续空间，并将每一个字节都初始化为 0。所以它的结果是分配了 num*size 个字节长度的内存空间，并且每个字节的值都是0。
2	void free(void *address);  该函数释放 address 所指向的内存块,释放的是动态分配的内存空间。
3	void *malloc(int num);  在堆区分配一块指定大小的内存空间，用来存放数据。这块内存空间在函数执行完成后不会被初始化，它们的值是未知的。
4	void *realloc(void *address, int newsize);  该函数重新分配内存，把内存扩展到 newsize。 a) 可能的话，扩张或收缩 ptr 所指向的已存在内存。内容在新旧大小中的较小者范围内保持不变。若扩张范围，则数组新增部分的内容是未定义的。 b) 分配一个大小为 new_size 字节的新内存块，并复制大小等于新旧大小中较小者的内存区域，然后释放旧内存块。