内存管理函数

一、基本用法

#include <unistd.h>
int brk(void *addr);
void *sbrk(intptr_t increment);  //返回空间地址

brk是系统调用，通过传递的addr来重新设置program break，成功返回0，否则返回-1。
sbrk不是系统调用，是C库函数，用来增加heap，增加的大小通过参数increment来决定。increment可以是正负、负数、零。
    brk和sbrk会改变program break的位置，program break被定义为程序数据段的结束位置。这里的程序数据段包含data segment、bss segment和heap，所以program break就是指heap的结束地址。

#include <sys/mman.h>
// 将一个文件或者其它对象映射进内存
void *mmap(void *start, size_t length, int port, int flags, int fd, off_t offset);
// 成功返回被映射区的指针，失败返回MAP_FAILED(其值为(void *)-1)。
int munmap(void *start, size_t length);
// 成功返回0，失败返回-1。

#include <malloc.h>
void *alloca(size_t);

#include <stdlib.h>
void* malloc(unsigned size);
void* calloc(size_t numElements, size_t sizeOfElement);
void* realloc(void* ptr, unsigned newsize);

（1）alloca是向栈申请内存，因此无需手动释放。
（2）malloc向堆中申请内存，不能初始化所分配的内存，因此需要调用memset来初始化这部分的内存空间。
（3）calloc与malloc类似，会将所分配的内存空间中的每一位都初始化为零(空指针)。
（4）realloc给一个已经分配了地址的指针重新分配空间，参数ptr为原有的空间地址，newsize是重新申请的地址长度。
    realloc可能会导致数据移动。realloc可以对给定的指针所指的空间进行扩大或者缩小，无论是扩张或是缩小，原有内存的中内容将保持不变。对于缩小，则被缩小的那一部分的内容会丢失。对于扩大，realloc()试图直接从堆上现存的数据后面的那些字节中获得附加的字节，如果满足则直接返回，如果不满足，就使用堆上第一个有足够大小的*块，将现存的数据拷贝至新的位置，老的数据块放回到堆中。

二、进程的内存使用

1、当一个进程发生缺页中断的时候，进程会陷入内核态，执行以下操作：
（1）检查要访问的虚拟地址是否合法
（2）查找/分配一个物理页
（3）填充物理页内容（读取磁盘、或者直接置0、或者啥也不干）
（4）建立映射关系（虚地址到物理地址）
重新执行发生缺页中断的那条命令
如果第3步需要读取磁盘，那么这次缺页中断就是majflt，否则就是minflt。

// 查看进程发生缺页中断的次数
ps -o majflt,minflt -C program_name

其中majflt代表major fault，中文名叫大错误。minflt代表minor fault，中文名叫小错误。
这两个数值表示一个进程自启动以来所发生的缺页中断的次数，是一个累加值。

2、从操作系统角度来看，进程分配内存有两种方式，分别由两个系统调用完成：brk和mmap。
（1）brk是将数据段(.data)的最高地址指针_edata往高地址推
（2）mmap是在进程的虚拟地址空间中（堆和栈中间，称为文件映射区域的地方）找一块空闲的虚拟内存。
这两种方式分配的都是虚拟内存，没有分配物理内存。在第一次访问已经分配的虚拟地址空间的时候，发生缺页中断，
操作系统负责分配物理内存，然后建立虚拟内存和物理内存之间的映射关系。

3、标准C库中，提供了malloc/free函数分配释放内存，这两个函数底层是由brk/mmap、munmap这些系统调用实现的。

malloc小于128k的内存，使用brk分配内存，将_edata往高地址推（只分配虚拟地址，不对应物理内存）。
malloc大于128k的内存（可由M_MMAP_THRESHOLD选项调节）使用mmap系统调用，从堆和栈的中间分配一块虚拟内存。
第一次读/写数据时，引起内核缺页中断，内核才分配对应的物理内存，然后与虚拟地址空间建立映射关系。
如果malloc分配了A这块内存后，从来不访问它，那么A对应的物理页是不会被分配的。

下面通过一个例子来说明malloc的用法：
[1]进程调用A=malloc(30k)，malloc函数调用brk系统调用，将_edata指针往高地址推30k，就完成虚拟内存分配。

[2]进程调用B=malloc(40k)，则将_edata指针再往高地址推40k。

[3]进程调用C=malloc(100k)，则将_edata指针再往高地址推100k。

[4]进程调用free(B)，此时B的虚拟内存和物理内存都没有释放，因为只有一个_edata指针，如果往回推，那么C这块内存怎么办。当然，B这块内存是可以重用的，如果这个时候再来一个40k的请求，那么malloc很可能就把B这块内存返回出去。

[5]进程调用free(C)，此时B和C连接起来，变成一块140k的空闲内存。
默认情况下，当最高地址的空闲内存超过128k（可由M_TRIM_THRESHOLD选项调节）时，执行内存紧缩操作(trim)。在步骤[5]执行free操作时，发现最高地址空闲内存超过128k，于是内存紧缩。

[6]进程调用D=malloc(200k)，malloc函数调用mmap系统调用，在文件映射区分配200k虚拟内存。

[7]进程调用free(D)，D对应的虚拟内存和物理内存一起释放。