大内高手—内存模型
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作者联系方式：李先静 <xianjimli at hotmail dot com>
更新时间：2007-7-9
了解linux的内存模型，或许不能让你大幅度提高编程能力，但是作为一个基本知识点应该熟悉。坐火车外出旅行时，即时你对沿途的地方一无所知，仍然可以到达目标地。但是你对整个路途都很比较清楚的话，每到一个站都知道自己在哪里，知道当地的风土人情，对比一下所见所想，旅程可能更有趣一些。
类似的，了解linux的内存模型，你知道每块内存，每个变量，在系统中处于什么样的位置。这同样会让你心情愉快，知道这些，有时还会让你的生活轻更松些。看看变量的地址，你可以大致断定这是否是一个有效的地址。一个变量被破坏了，你可以大致推断谁是犯罪嫌疑人。
Linux的内存模型，一般为：
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地址 |
作用 |
说明 |
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>=0xc000 0000 |
内核虚拟存储器 |
用户代码不可见区域 |
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<0xc000 0000 |
Stack（用户栈） |
ESP指向栈顶 |
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↓ ↑ |
空闲内存 |
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>=0x4000 0000 |
文件映射区 |
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<0x4000 0000 |
↑ |
空闲内存 |
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Heap(运行时堆) |
通过brk/sbrk系统调用扩大堆，向上增长。 |
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.data、.bss(读写段) |
从可执行文件中加载 |
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>=0x0804 8000 |
.init、.text、.rodata(只读段) |
从可执行文件中加载 |
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<0x0804 8000 |
保留区域 |
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很多书上都有类似的描述，本图取自于《深入理解计算机系统》p603，略做修改。本图比较清析，很容易理解，但仍然有两点不足。下面补充说明一下：
1. 第一点是关于运行时堆的。
为说明这个问题，我们先运行一个测试程序，并观察其结果：
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#include <stdio.h> int main(int argc, char* argv[]) { int first = 0; int* p0 = malloc(1024); int* p1 = malloc(1024 * 1024); int* p2 = malloc(512 * 1024 * 1024 ); int* p3 = malloc(1024 * 1024 * 1024 ); printf("main=%p print=%p/n", main, printf); printf("first=%p/n", &first); printf("p0=%p p1=%p p2=%p p3=%p/n", p0, p1, p2, p3); getchar(); return 0; } |
运行后，输出结果为：
main=0x8048404 print=0x8048324
first=0xbfcd1264
p0=0x9253008 p1=0xb7ec0008 p2=0x97ebf008 p3=0x57ebe008
l main和print两个函数是代码段(.text)的，其地址符合表一的描述。
l first是第一个临时变量，由于在first之前还有一些环境变量，它的值并非0xbfffffff，而是0xbfcd1264，这是正常的。
l p0是在堆中分配的，其地址小于0x4000 0000，这也是正常的。
l 但p1和p2也是在堆中分配的，而其地址竟大于0x4000 0000，与表一描述不符。
原因在于：运行时堆的位置与内存管理算法相关，也就是与malloc的实现相关。关于内存管理算法的问题，我们在后继文章中有详细描述，这里只作简要说明。在glibc实现的内存管理算法中，Malloc小块内存是在小于0x4000 0000的内存中分配的，通过brk/sbrk不断向上扩展，而分配大块内存，malloc直接通过系统调用mmap实现，分配得到的地址在文件映射区，所以其地址大于0x4000 0000。
从maps文件中可以清楚的看到一点：
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00514000-00515000 r-xp 00514000 00:00 0 00624000-0063e000 r-xp 00000000 03:01 718192 /lib/ld-2.3.5.so 0063e000-0063f000 r-xp 00019000 03:01 718192 /lib/ld-2.3.5.so 0063f000-00640000 rwxp 0001a000 03:01 718192 /lib/ld-2.3.5.so 00642000-00766000 r-xp 00000000 03:01 718193 /lib/libc-2.3.5.so 00766000-00768000 r-xp 00124000 03:01 718193 /lib/libc-2.3.5.so 00768000-0076a000 rwxp 00126000 03:01 718193 /lib/libc-2.3.5.so 0076a000-0076c000 rwxp 0076a000 00:00 0 08048000-08049000 r-xp 00000000 03:01 1307138 /root/test/mem/t.exe 08049000-0804a000 rw-p 00000000 03:01 1307138 /root/test/mem/t.exe 09f5d000-09f7e000 rw-p 09f5d000 00:00 0 [heap] 57e2f000-b7f35000 rw-p 57e2f000 00:00 0 b7f44000-b7f45000 rw-p b7f44000 00:00 0 bfb2f000-bfb45000 rw-p bfb2f000 00:00 0 [stack] |
2. 第二是关于多线程的。
现在的应用程序，多线程的居多。表一所描述的模型无法适用于多线程环境。按表一所述，程序最多拥有上G的栈空间，事实上，在多线程情况下，能用的栈空间是非常有限的。为了说明这个问题，我们再看另外一个测试：
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#include <stdio.h> #include <pthread.h> void* thread_proc(void* param) { int first = 0; int* p0 = malloc(1024); int* p1 = malloc(1024 * 1024); printf("(0x%x): first=%p/n", pthread_self(), &first); printf("(0x%x): p0=%p p1=%p /n", pthread_self(), p0, p1); return 0; } #define N 5 int main(int argc, char* argv[]) { int first = 0; int i= 0; void* ret = NULL; pthread_t tid[N] = {0}; printf("first=%p/n", &first); for(i = 0; i < N; i++) { pthread_create(tid+i, NULL, thread_proc, NULL); } for(i = 0; i < N; i++) { pthread_join(tid[i], &ret); } return 0; } |
运行后，输出结果为：
first=0xbfd3d35c
(0xb7f2cbb0): first=0xb7f2c454
(0xb7f2cbb0): p0=0x84d52d8 p1=0xb4c27008
(0xb752bbb0): first=0xb752b454
(0xb752bbb0): p0=0x84d56e0 p1=0xb4b26008
(0xb6b2abb0): first=0xb6b2a454
(0xb6b2abb0): p0=0x84d5ae8 p1=0xb4a25008
(0xb6129bb0): first=0xb6129454
(0xb6129bb0): p0=0x84d5ef0 p1=0xb4924008
(0xb5728bb0): first=0xb5728454
(0xb5728bb0): p0=0x84d62f8 p1=0xb7e2c008
我们看一下:
主线程与第一个线程的栈之间的距离：0xbfd3d35c - 0xb7f2c454=0x7e10f08=126M
第一个线程与第二个线程的栈之间的距离：0xb7f2c454 - 0xb752b454=0xa01000=10M
其它几个线程的栈之间距离均为10M。
也就是说，主线程的栈空间最大为126M，而普通线程的栈空间仅为10M，超这个范围就会造成栈溢出。
栈溢出的后果是比较严重的，或者出现Segmentation fault错误，或者出现莫名其妙的错误。