Linux proc文件系统 内存影射

常见的内存分配函数

• malloc / calloc / realloc（来自 C 标准库）

void *malloc(size_t size)：分配 size 字节的内存。
void *calloc(size_t nmemb, size_t size)：分配并初始化为0的内存，大小为 nmemb * size。
void *realloc(void *ptr, size_t size)：重新分配一块内存。
释放函数：
void free(void *ptr)：释放由 malloc/calloc/realloc 分配的内存。

• mmap / munmap（Linux 系统调用级别）

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset)：用于分配匿名内存或映射文件。
int munmap(void *addr, size_t length)：释放 mmap 分配的内存。
常用于共享内存、匿名内存区域的分配，灵活性更高。// 使用 mmap 分配匿名内存
size_t size = 4096; // 分配 1 页（通常 4KB）大小的内存
void *addr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_ANONYMOUS | MAP_PRIVATE, -1, 0);if (addr == MAP_FAILED) {perror("mmap failed");return 1;
}

/proc/pid/ 目录解析

• /proc/<pid>/maps ： 内存映射区域概览 【程序地址空间】
  该文件列出进程的每个虚拟内存区域的信息，包括地址、权限、偏移、设备、inode 以及映射的文件（如有）。
  <起始地址>-<结束地址> <权限> <偏移> <设备号> <inode> <路径>
  
  如图，是从上到下为低地址向高地址的程序地址空间。
  

• 2./proc/<pid>/status —— 进程状态摘要（含内存使用情况）
  提供当前进程的状态、资源使用、权限、线程数等，常用于查看内存大小的总体信息。

VmPeak:   132456 kB  使用过的最大虚拟内存
VmSize:   130000 kB  当前分配的虚拟内存
VmRSS:     20480 kB  常驻内存集（实际占用物理内存）
VmData:    90000 kB  数据段使用内存
VmStk:       136 kB  栈区大小
VmExe:      1024 kB  代码段大小
VmLib:     16384 kB  进程加载的 共享库（Shared Library） 占用的虚拟内存大小

• 3./proc/<pid>/smaps —— maps 的详细版（精细统计每段内存）
  该文件扩展了 maps 的内容，为每个内存段提供详细内存使用信息，如共享、私有的内存、页的大小等。

7f0c5f000000-7f0c5f021000 rw-p 00000000 00:00 0 
Size:                132 kB  区域大小
Rss:                  20 kB  实际驻留物理内存
Pss:                  10 kB  平均共享内存
Shared_Clean:          0 kB  被多个进程共享的页面
Shared_Dirty:          0 kB
Private_Clean:         0 kB   私有页面
Private_Dirty:        20 kB
Referenced:           20 kB   被访问过的内存
Anonymous:            20 kB   匿名映射（如 malloc 分配的内存）
...

用户进程的内存空间分配算法

1. 连续分配算法

   • 定义：为进程分配一个连续的内存区域，进程的所有数据和代码都存放在该连续空间中。

   • 典型算法：
     单一连续分配：整个内存仅分配给一个进程（早期单任务系统）。
     固定分区分配：内存划分为若干固定大小的分区，每个分区装入一个进程。
     动态分区分配：根据进程需求动态划分内存，如首次适应、最佳适应算法。【连续分配算法】

     • 首次适应算法（First Fit）：从空闲分区链的起始位置开始扫描，找到第一个大小足够满足请求的空闲分区，将其分割后分配给进程。
     • 最佳适应算法（Best Fit）：遍历整个空闲分区链，找到大小最接近请求且不小于请求的空闲分区进行分配。（实际上碎片化问题更严重）

   • 特点：实现简单，但内存碎片问题严重，空间利用率低。

2. 离散分配算法
   • 定义：将进程拆分为多个部分，分配到不连续的内存块中，通过地址映射机制（如页表、段表）实现逻辑地址到物理地址的转换。
   • 典型算法：
     分页存储管理：进程划分为固定大小的页（Page），内存划分为页框（Frame），页与页框一一对应。
     分段存储管理：进程划分为逻辑上独立的段（Segment），如代码段、数据段，各段分配独立的内存区域。
     段页式存储管理：结合分段和分页，先分段再分页。
   • 特点：有效解决内存碎片问题，支持虚拟内存，是现代操作系统的主流方案。

现代操作系统（如 Linux、Windows）对用户进程的内存管理采用基于分页的虚拟内存机制，属于离散分配算法的范畴，但实现细节更为复杂。

mmap 分配大内存可能不在堆中

小内存分配（通常小于 128KB）
通过 堆（Heap） 分配，使用 brk 系统调用扩展进程的堆空间，内存区域在 /proc/pid/maps 中标记为 [heap]。

大内存分配（通常大于等于 128KB）
通过 匿名映射（Anonymous Mapping） 分配，使用 mmap 系统调用在虚拟地址空间中创建独立的内存区域，这类区域在 /proc/pid/maps 中标记为 rw-p 00000000 00:00 0（无文件关联的匿名映射），不属于传统堆或共享区。

编写程序，连续申请分配六个128MB空间（记为1~6号），然后释放第2、3、5号的128MB空间。然后再分配1024MB，再分配64M内存，观察 /proc/pid/maps， 【解释说明用户进程空间分配属于课本中的离散还是连续分配算法？首次适应还是最佳适应算法？用户空间存在碎片问题吗？】

代码：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/mman.h>
#include <string.h>#define ALLOC_MB(x) ((x) * 1024 * 1024)void *alloc_region(size_t size) {void *ptr = mmap(NULL, size, PROT_READ | PROT_WRITE,MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);if (ptr == MAP_FAILED) {perror("mmap");exit(1);}return ptr;
}void print_hint(const char *msg) {printf("\n==== %s ====\n", msg);printf("pid = %d，请查看 /proc/%d/maps\n", getpid(), getpid());printf("按 Enter 继续...\n");getchar();
}int main() {void *blocks[6];// 分配六块 128MB 匿名内存for (int i = 0; i < 6; i++) {blocks[i] = alloc_region(ALLOC_MB(128));memset(blocks[i], 0, 1);  // 确保内存实际分配}print_hint("已分配 6 块 128MB");// 释放第 2、3、5 块munmap(blocks[1], ALLOC_MB(128));munmap(blocks[2], ALLOC_MB(128));munmap(blocks[4], ALLOC_MB(128));print_hint("已释放第 2、3、5 块");// 分配 1024MBvoid *big = alloc_region(ALLOC_MB(1024));memset(big, 0, 1);print_hint("已分配 1024MB");// 再分配 64MBvoid *extra = alloc_region(ALLOC_MB(64));memset(extra, 0, 1);print_hint("已分配额外的 64MB");sleep(60);return 0;
}

• 分配 6 个 128MB 内存块：
  
  [heap]下一行的 7fc8c95d8000-7fc8f95d8000 即为分配的6个128MB内存块
  0x7fc8f95d8000 - 0x7fc8c95d8000 = 0x30000000 = 768MB
  mmap 分配的大块内存，不在 [heap] 上！

• 释放第 2、3、5 号内存块：
  
  [heap]下这三段：
  7fc8c95d8000-7fc8d15d8000 rw-p …
  7fc8d95d8000-7fc8e15d8000 rw-p …
  7fc8f15d8000-7fc8f95d8000 rw-p …
  刚好是 128*3 = 384 MB. 地址连续但 有缺口，说明确实释放了中间段

• 分配一个 1024MB 内存块：
  
  7fc8c95d8000-7fc8d15d8000 变为 7fc8895d8000-7fc8d15d8000 这是分配了1024MB内存
  0x7fc8d15d8000 - 0x7fc8895d8000 = 0x48000000 = 1207959552 bytes = 1152 MB

• 额外分配一个 64MB 内存块：
  
  7fc8f15d80000-7fc8f95d80000 变为了7fc8ed5d8000-7fc8f95d8000
  = 0x7fc8f95d8000 - 0x7fc8ed5d8000
  = 0x080000000 (十六进制)
  = 128MB + 64MB = 192MB malloc 的 64MB 被放入了这块扩展后的区域中。

换为 malloc 现象相同

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>#define ALLOC_MB(x) ((x) * 1024 * 1024)void *alloc_region(size_t size) {void *ptr = malloc(size);if (ptr == NULL) {perror("malloc");exit(1);}return ptr;
}void free_region(void *ptr, size_t size) {free(ptr);
}void print_hint(const char *msg) {printf("\n==== %s ====\n", msg);printf("pid = %d，请查看 /proc/%d/maps\n", getpid(), getpid());printf("按 Enter 继续...\n");getchar();
}int main() {void *blocks[6];getchar();// 分配六块 128MB 内存for (int i = 0; i < 6; i++) {blocks[i] = alloc_region(ALLOC_MB(128));memset(blocks[i], 0, 1);  // 确保内存实际分配}print_hint("已分配 6 块 128MB");// 释放第 2、3、5 块free_region(blocks[1], ALLOC_MB(128));free_region(blocks[2], ALLOC_MB(128));free_region(blocks[4], ALLOC_MB(128));print_hint("已释放第 2、3、5 块");// 分配 1024MBvoid *big = alloc_region(ALLOC_MB(1024));memset(big, 0, 1);print_hint("已分配 1024MB");// 再分配 64MBvoid *extra = alloc_region(ALLOC_MB(64));memset(extra, 0, 1);print_hint("已分配额外的 64MB");sleep(60);return 0;
}    

起始：

5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa337f61000-7fa337f83000 r--p 00000000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa337f83000-7fa3380fb000 r-xp 00022000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa3380fb000-7fa338149000 r--p 0019a000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa338149000-7fa33814d000 r--p 001e7000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814d000-7fa33814f000 rw-p 001eb000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814f000-7fa338155000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa338168000-7fa338169000 r--p 00000000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338169000-7fa33818c000 r-xp 00001000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa33818c000-7fa338194000 r--p 00024000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338195000-7fa338196000 r--p 0002c000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338196000-7fa338197000 rw-p 0002d000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338197000-7fa338198000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe3d307000-7ffe3d328000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe3d3f1000-7ffe3d3f5000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe3d3f5000-7ffe3d3f7000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

分配 6 块 128MB： 发现也不在堆中

5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa307f5b000-7fa337f61000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa337f61000-7fa337f83000 r--p 00000000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa337f83000-7fa3380fb000 r-xp 00022000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa3380fb000-7fa338149000 r--p 0019a000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa338149000-7fa33814d000 r--p 001e7000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814d000-7fa33814f000 rw-p 001eb000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814f000-7fa338155000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa338168000-7fa338169000 r--p 00000000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338169000-7fa33818c000 r-xp 00001000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa33818c000-7fa338194000 r--p 00024000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338195000-7fa338196000 r--p 0002c000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338196000-7fa338197000 rw-p 0002d000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338197000-7fa338198000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe3d307000-7ffe3d328000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe3d3f1000-7ffe3d3f5000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe3d3f5000-7ffe3d3f7000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]

释放第 2、3、5 块后现象相同：

5635d3a68000-5635d3a69000 r--p 00000000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a69000-5635d3a6a000 r-xp 00001000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6a000-5635d3a6b000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6b000-5635d3a6c000 r--p 00002000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3a6c000-5635d3a6d000 rw-p 00003000 08:05 655630                     /home/wyx/work/SZU_OS/ex3/memtest2.out
5635d3fcf000-5635d3ff0000 rw-p 00000000 00:00 0                          [heap]
7fa307f5b000-7fa30ff5c000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa317f5d000-7fa31ff5e000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa32ff60000-7fa337f61000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa337f61000-7fa337f83000 r--p 00000000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa337f83000-7fa3380fb000 r-xp 00022000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa3380fb000-7fa338149000 r--p 0019a000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa338149000-7fa33814d000 r--p 001e7000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814d000-7fa33814f000 rw-p 001eb000 08:05 1050757                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.31.so
7fa33814f000-7fa338155000 rw-p 00000000 00:00 0 
7fa338168000-7fa338169000 r--p 00000000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338169000-7fa33818c000 r-xp 00001000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa33818c000-7fa338194000 r--p 00024000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338195000-7fa338196000 r--p 0002c000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338196000-7fa338197000 rw-p 0002d000 08:05 1050743                    /usr/lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.31.so
7fa338197000-7fa338198000 rw-p 00000000 00:00 0 
7ffe3d307000-7ffe3d328000 rw-p 00000000 00:00 0                          [stack]
7ffe3d3f1000-7ffe3d3f5000 r--p 00000000 00:00 0                          [vvar]
7ffe3d3f5000-7ffe3d3f7000 r-xp 00000000 00:00 0                          [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 --xp 00000000 00:00 0                  [vsyscall]