brk(）和sbrk()函数的使用

r囧r小猫 2022-08-12 09:59 221阅读 0赞

# 根据上一篇文章继续解释    #

# brk和sbrk的定义 #

在man手册中定义了这两个函数：

1 #include <unistd.h>
    2 int brk(void *addr);
    3 void *sbrk(intptr_t increment);

手册上说brk和sbrk会改变program break的位置，program break被定义为程序data segment的结束位置。感觉这句话不是很好理解，从下面程序地址空间的分布来看，data segment后面还有bss segment，显然和手册说的不太一样。一种可能的解释就是手册中的data segment和下图中的data segment不是一个意思，手册中的data segment应该包含了下图中的data segment、bss segment和heap，所以program break指的就是下图中heap的结束地址。

![251443189028620.png][]

有了前面program break的概念后，我们来看下brk和sbrk的作用。brk通过传递的addr来重新设置program break，成功则返回0，否则返回\-1。而sbrk用来增加heap，增加的大小通过参数increment决定，返回增加大小前的heap的program break，如果increment为0则返回program break。

从上面的图可以看出heap的起始地址并不是bss segment的结束地址，而是随机分配的，下面我们用一个程序来验证下：

![复制代码][copycode.gif]

1 #include <stdio.h>
     2 #include <unistd.h>
     3  
     4 int bss_end;
     5 
     6 int main(void)
     7 {
     8     void *tret;
     9         
    10     printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    11     tret = sbrk(0);
    12     if (tret != (void *)-1)
    13         printf ("heap start: %p\n", tret);
    14     return 0;
    15 }

![复制代码][copycode.gif]

运行的结果为：

![251444100258673.png][]

从上面运行结果可以知道bss和heap是不相邻的，并且同一个程序bss的结束地址是固定的，而heap的起始地址在每次运行的时候都会改变。你可能会说sbkr(0)返回的是heap的结束地址，怎么上面确把它当做起始地址呢？由于程序开始运行时heap的大小是为0，所以起始地址和结束地址是一样的，不信我们可以用下面的程序验证下。

![复制代码][copycode.gif]

1 #include <stdio.h>
     2 #include <unistd.h>
     3 #include <stdlib.h>
     4  
     5 int bss_end;
     6 
     7 int main(void)
     8 {
     9     void *tret;
    10     char *pmem;
    11         
    12     printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    13     tret = sbrk(0);
    14     if (tret != (void *)-1)
    15         printf ("heap1 start: %p\n", tret);
    16     
    17     if (brk((char *)tret - 1) == -1)
    18         printf("brk error\n");
    19         
    20     tret = sbrk(0);
    21     if (tret != (void *)-1)
    22         printf ("heap2 start: %p\n", tret);
    23     
    24     pmem = (char *)malloc(32);
    25     if (pmem == NULL) {
    26         perror("malloc");
    27         exit (EXIT_FAILURE);
    28     }
    29     printf ("pmem:%p\n", pmem);
    30     
    31     tret = sbrk(0);
    32     if (tret != (void *)-1)
    33         printf ("heap1 end: %p\n", tret);
    34     
    35     if (brk((char *)tret - 10) == -1)
    36         printf("brk error\n");
    37         
    38     tret = sbrk(0);
    39     if (tret != (void *)-1)
    40         printf ("heap2 end: %p\n", tret);
    41     return 0;
    42 }

![复制代码][copycode.gif]

运行结果为：

![251444541725291.png][]

程序开始的时候打印出来heap的结束地址，并用这个地址减1来重新设置heap的结束地址，结果两次的结束地址居然是一样的，那说明这个结束地址就是heap的起始地址，再减小这个起始地址是不允许的，不过brk也不会报错。然后调用malloc获取内存，并打印出该内存的起始地址pmem，可以发现pmem与heap的起始地址相差8个字节，为什么会有8个字节没有？这8个字节应该是用来管理heap空间的（不深究）。最后再次获得heap的结束地址，并用这个地址减10来重新设置heap的结束地址，这下地址设置成功了。

# 堆的管理 #

上面的函数我们其实很少使用，大部分我们使用的是malloc和free函数来分配和释放内存。这样能够提高程序的性能，不是每次分配内存都调用brk或sbrk，而是重用前面空闲的内存空间。brk和sbrk分配的堆空间类似于缓冲池，每次malloc从缓冲池获得内存，如果缓冲池不够了，再调用brk或sbrk扩充缓冲池，直到达到缓冲池大小的上限，free则将应用程序使用的内存空间归还给缓冲池。

如果缓冲池需要扩充时，一次扩充多少呢？先运行下面的程序看看：

![复制代码][copycode.gif]

1 #include <stdio.h>
     2 #include <unistd.h>
     3 #include <stdlib.h>
     4  
     5 int main(void)
     6 {
     7         void *tret;
     8         char *pmem;
     9         
    10         tret = sbrk(0);
    11         if (tret != (void *)-1)
    12                 printf ("heap start: %p\n", tret);
    13                 
    14         pmem = (char *)malloc(64);  //分配内存
    15         if (pmem == NULL) {
    16                 perror("malloc");
    17                 exit (EXIT_FAILURE);
    18         }
    19         printf ("pmem:%p\n", pmem);
    20         tret = sbrk(0);
    21         if (tret != (void *)-1)
    22                 printf ("heap size on each load: %p\n", (char *)tret - pmem);
    23     free(pmem)
    24     return 0;
    25 }

![复制代码][copycode.gif]

运行结果如下：

![251445353372636.png][]

从结果可以看出调用malloc(64)后缓冲池大小从0变成了0x20ff8，将上面的malloc(64)改成malloc(1)结果也是一样，只要malloc分配的内存数量不超过0x20ff8，缓冲池都是默认扩充0x20ff8大小。值得注意的是如果malloc一次分配的内存超过了0x20ff8，malloc不再从堆中分配空间，而是使用mmap()这个系统调用从映射区寻找可用的内存空间。

接下来就是要对用brk和mmap分配好内存进行管理了。因为brk()，mmap()是系统调用，如果每次调用malloc动态分配内存都执行一次系统调用，那开销是比较大的。再者，如果每次申请的内存较小，但是系统分配的内存都是固定大小的倍数(一般是4KB,一页)，这样就会有大量的浪费。所以malloc一般会实现一个内存堆来管理这些内存,malloc分配的内存都会以若干chunk的方式放到内存堆中。每次用户调用malloc动态分配内存的时候，malloc会先到内存堆里进行查找，如果内存堆里没有合适的空闲chunk，再利用brk/malloc系统调用分配一大块内存，然后把新分配的大块内存放到内存堆中，并生成一块合适的chunk块返回给用户。当用户用free释放chunk的时候，可能并不立即使用系统调用释放内存，而是将释放的chunk作为空闲chunk加入内存堆中，和其他的空闲chunk合并，便于下次分配的时候再次使用。  
     
一般说来，释放的chunk如果标记为mmap申请的，则使用munmap释放。如果是brk申请的，进一步判断堆顶之下的空闲chunk是否大于128KB，如果是，则使用brk()释放。如果小于128KB，仍由内存堆维护。这样对brk()的使用就会有个问题，当brk()释放的内存块在堆顶之下，且内存块到堆顶之间还有未释放的内存。那么这块内存的释放将不会成功，从而形成内存空洞。

1. 无论是堆，还是栈都是对虚存的操作和管理。  
2. 系统调用brk()和mmap()用来动态分配虚存空间，也就是表明这些虚存地址是合法的，访问的时候，系统应为其分配物理内存，而不是报错。  
3. 堆的本质是动态申请的虚存空间。理论上可以用任何方式去管理这块空间。但数据结构--"堆"是最常用的一种，所以这块分配的空间常称为被堆。  
4. 和栈不一样，堆的管理是在用户函数库中进行，malloc/free等函数是堆的入口。  
5. 每次分配的内存块大小都会被记录下来，释放的时候只需要指定要释放的内存地址就行了。这就是为什么malloc的时候要指定大小，free的时候不用。  
6. 堆和栈一样，仍然使用了物理内存的延迟分配策略。

[251443189028620.png]: /images/20220810/7c01b8eb0c7c408789b57b660379c4f2.png
[copycode.gif]: /images/20220810/c6c566742b9444eb8b9e7e1029910d63.png
[251444100258673.png]: /images/20220810/458bb46dc7d34b55b3cd748b2a164cd9.png
[251444541725291.png]: /images/20220810/9bf15cd61dc246478ee3a1bf8ae69719.png
[251445353372636.png]: /images/20220810/f3e929da550541fabd21ea74ece982a4.png