Linux用户态进程的内存管理

上一篇我们了解了内存在内核态是如何管理的，本篇文章我们一起来看下内存在用户态的使用情况，如果上一篇文章说是内核驱动工程师经常面对的内存管理问题，那本篇就是应用工程师常面对的问题。

相信大家都知道对用户态的内存消耗对象是进程，应用开发者面对的所有代码操作最后的落脚点都是进程，这也是说为什么内存和进程两个知识点的重要性，理解了内存和进程两大法宝，对所有软件开发的理解都会有了全局观（关于进程的知识以后再整理和大家分享）。

下面闲话少说，开始本篇的内容——进程的内存消耗和泄漏

进程的虚拟地址空间VMA（Virtual Memory Area）

在linux操作系统中，每个进程都通过一个task_struct的结构体描叙，每个进程的地址空间都通过一个mm_struct描叙，C语言中的每个段空间都通过vm_area_struct表示，他们关系如下 :

上图中，task_struct中的mm_struct就代表进程的整个内存资源，mm_struct中的pgd为页表，mmap指针指向的vm_area_struct链表的每一个节点就代表进程的一个虚拟地址空间，即一个VMA。一个VMA最终可能对应ELF可执行程序的数据段、代码段、堆、栈、或者动态链接库的某个部分。

VMA的分布情况可以有通过pmap命令，及maps，smaps文件查看，如下图：

另，VMA的具体内容可参考下图。

page fault的几种可能性

我们先来看张图：

（此图来源于宋宝华老师）

• 如，调用malloc申请100M内存，IA32下在0~3G虚拟地址中立刻就会占用到大小为100M的VMA，且符合堆的定义，这一段VMA的权限是R+W的。但由于Lazy机制，这100M其实并没有获得，这100M全部映射到一个物理地址相同的零页，且在页表中记录的权限为只读的。当100M中任何一页发生写操作时，MMU会给CPU发page fault（MMU可以从寄存器读出发生page fault的地址；MMU可以读出发生page fault的原因），Linux内核收到缺页中断，在缺页中断的处理程序中读出虚拟地址和原因，去VMA中查，发现是用户程序在写malloc的合法区域且有写权限，Linux内核就真正的申请内存，页表中对应一页的权限也修改为R+W。

• 如，程序中有野指针飞到了此程序运行时进程的VMA以外的非法区域，硬件就会收到page fault，进程会收到SIGSEGV信号报段错误并终止。如，程序中有野指针飞到了此程序运行时进程的VMA以外的非法区域，硬件就会收到page fault，进程会收到SIGSEGV信号报段错误并终止。

• 如，代码段在VMA中权限为R+X，如果程序中有野指针飞到此区域去写，则也会发生段错误。（另，malloc堆区在VMA中权限为R+W，如果程序的PC指针飞到此区域去执行，同样发生段错误。）

• 如，执行代码段时会发生缺页，Linux申请1页内存，并从硬盘读取出代码段，此时产生了IO操作，为major主缺页。如，执行代码段时会发生缺页，Linux申请1页内存，并从硬盘读取出代码段，此时产生了IO操作，为major主缺页。

（此图来源于宋宝华老师）

综上，page fault后，Linux会查VMA，也会比对VMA中和页表中的权限，体现出VMA的重要作用。

malloc分配的原理

malloc的过程其实就是把VMA分配到各种段当中，这时候是没有真正分配物理地址的。malloc 调用后，只是分配了内存的逻辑地址，在内核的mm_struct 链表中插入vm_area_struct结构体，没有分配实际的内存。当分配的区域写入数据是，引发页中断，建立物理页和逻辑地址的映射。下图表示了这个过程。

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（不考虑共享内存）。

• malloc小于128k的内存，使用brk分配内存，将_edata往高地址推(只分配虚拟空间，不对应物理内存(因此没有初始化)，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，然后虚拟地址空间建立映射关系)

• malloc大于128k的内存，使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配(对应独立内存，而且初始化为0)

内存的消耗VSS RSS PSS USS

首先，我们评估一个进程的内存消耗都是指用户空间的内存，不包括内核空间的内存消耗 。这里我们用工具 procrank先来看下Linux进程的内存占用量 。

• VSS -Virtual Set Size 虚拟耗用内存（包含共享库占用的内存）

• RSS -Resident Set Size 实际使用物理内存（包含共享库占用的内存）

• PSS -Proportional Set Size 实际使用的物理内存（比例分配共享库占用的内存）

• USS -Unique Set Size 进程独自占用的物理内存（不包含共享库占用的内存）

下面再用一张图来更好的解释VSS,RSS,PSS,USS之间的区别：

有了对VSS,RSS,PSS,USS的了解，我们趁热打铁来看下内存在进程中是如何被瓜分的：

（此图来源于宋宝华老师）

1044，1045，1054三个进程，每个进程都有一个页表，对应其虚拟地址如何向real memory上去转换。

process 1044的1，2，3都在虚拟地址空间，所以其VSS=1+2+3。

process 1044的4，5，6都在real memory上，所以其RSS=4+5+6。

分析real memory的具体瓜分情况：

4 libc代码段，1044，1045，1054三个进程都使用了libc的代码段，被三个进程分享。

5 bash shell的代码段，1044，1045都是bash shell，被两个进程分享。

6 1044独占

所以，上图中4+5+6并不全是1044进程消耗的内存，因为4明显被3个进程指向，5明显被2个进程指向，衍生出了PSS（按比例计算的驻留内存）的概念。进程1044的PSS为4/3 +5/2 +6。

最后，进程1044独占且驻留的内存USS为 6。

一般来说内存占用大小有如下规律：VSS >= RSS >= PSS >= USS

【部分内容整理于宋宝华老师课程】