了解内存分配

Question

我正在努力理解 "how memory works"。据我了解 OS （在我的例子中是 Linux ）调用 mmap 来创建 MAP_ANONYMOUS 映射时它会创建：

mmap() creates a new mapping in the virtual address space of the calling process

据我所知，一个进程的虚拟地址 space 可能超过 tge 实际可用的物理内存。

据我所知，当 CPU 尝试访问不在页面 table 中的内存页面时触发页面错误时，会发生实际映射到物理内存的情况。

OS 捕获页面错误并在页面目录中创建一个条目。

如果我 mmap 编辑了一些匿名内存（但没有触及任何页面），那么应该会发生什么，然后其他进程耗尽了所有物理内存，然后我尝试使用其中一个页面 mmaped（我已禁用交换）？

CPU 应该触发页面错误然后尝试在页面目录中创建一个条目。但是由于没有留下物理内存，它将无法这样做...

Answer 1

使用 mmap (MAP_ANONYMOUS) 或 malloc 如果您没有足够的可用内存，则不会改变您的情况mmap returns MAP_FAILED 和 malloc returns NULL

如果我使用那个程序：

#include <sys/mman.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

int main(int argc, char ** argv)
{
  int n = atoi(argv[1]);
  void * m;

  if (argc == 1) {
    m = mmap(NULL, n*1024*1024, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_SHARED | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

    if (m == MAP_FAILED) {
      puts("ko");
      return 0;
    }
  }
  else {
    m = malloc(n*1024*1024);
    if (m == 0) {
      puts("ko");
      return 0;
    }
  }

  puts("ok");
  getchar();

  char * p = (char *) m;
  char * sup = p + n*1024*1024;

  while (p < sup) {
    *p = 0;
    p += 512;
  }

  puts("done");
  getchar();

  return 0;
}

我在 1Gb 内存和 100Mo 交换空间的树莓派上，内存已经被 chromium 使用，因为我在 SO

proc/meminfo 给出：

MemTotal:         949448 kB
MemFree:          295008 kB
MemAvailable:     633560 kB
Buffers:           39296 kB
Cached:           360372 kB
SwapCached:            0 kB
Active:           350416 kB
Inactive:         260960 kB
Active(anon):     191976 kB
Inactive(anon):    41908 kB
Active(file):     158440 kB
Inactive(file):   219052 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:        102396 kB
SwapFree:         102396 kB
Dirty:               352 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        211704 kB
Mapped:           215924 kB
Shmem:             42304 kB
Slab:              24528 kB
SReclaimable:      12108 kB
SUnreclaim:        12420 kB
KernelStack:        2128 kB
PageTables:         5676 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:      577120 kB
Committed_AS:    1675164 kB
VmallocTotal:    1114112 kB
VmallocUsed:           0 kB
VmallocChunk:          0 kB
CmaTotal:           8192 kB
CmaFree:            6796 kB

如果我这样做：

pi@raspberrypi:/tmp $ ./a.out 750
ko

750 有点大，但是

pi@raspberrypi:/tmp $ ./a.out 600 &
[1] 1525
pi@raspberrypi:/tmp $ ok

使用的内存（top 等）不反映 600Mo 因为我没有 read/write 在他们

proc/meminfo 给出：

MemTotal:         949448 kB
MemFree:          282860 kB
MemAvailable:     626016 kB
Buffers:           39432 kB
Cached:           362860 kB
SwapCached:            0 kB
Active:           362696 kB
Inactive:         260580 kB
Active(anon):     199880 kB
Inactive(anon):    41392 kB
Active(file):     162816 kB
Inactive(file):   219188 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:        102396 kB
SwapFree:         102396 kB
Dirty:               624 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        220988 kB
Mapped:           215672 kB
Shmem:             41788 kB
Slab:              24788 kB
SReclaimable:      12296 kB
SUnreclaim:        12492 kB
KernelStack:        2136 kB
PageTables:         5692 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:      577120 kB
Committed_AS:    2288564 kB
VmallocTotal:    1114112 kB
VmallocUsed:           0 kB
VmallocChunk:          0 kB
CmaTotal:           8192 kB
CmaFree:            6796 kB

我又可以了

pi@raspberrypi:/tmp $ ./a.out 600 &
[2] 7088
pi@raspberrypi:/tmp $ ok

pi@raspberrypi:/tmp $ jobs
[1]-  stopped                 ./a.out 600
[2]+  stopped                 ./a.out 600
pi@raspberrypi:/tmp $

即使总数对于内存 + 交换也太大了，/proc/meminfo 给出：

MemTotal:         949448 kB
MemFree:          282532 kB
MemAvailable:     626112 kB
Buffers:           39432 kB
Cached:           359980 kB
SwapCached:            0 kB
Active:           365200 kB
Inactive:         257736 kB
Active(anon):     202280 kB
Inactive(anon):    38320 kB
Active(file):     162920 kB
Inactive(file):   219416 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:        102396 kB
SwapFree:         102396 kB
Dirty:                52 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        223520 kB
Mapped:           212600 kB
Shmem:             38716 kB
Slab:              24956 kB
SReclaimable:      12476 kB
SUnreclaim:        12480 kB
KernelStack:        2120 kB
PageTables:         5736 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:      577120 kB
Committed_AS:    2876612 kB
VmallocTotal:    1114112 kB
VmallocUsed:           0 kB
VmallocChunk:          0 kB
CmaTotal:           8192 kB
CmaFree:            6796 kB

如果我写入 %1 的内存然后停止它我在闪存上完成了很多交换

pi@raspberrypi:/tmp $ %1
./a.out 600

done
^Z
[1]+  stopped                 ./a.out 600

现在几乎没有空闲交换空间，几乎没有空闲内存，/proc/meminfo 给出

MemTotal:         949448 kB
MemFree:           33884 kB
MemAvailable:      32544 kB
Buffers:             796 kB
Cached:            66032 kB
SwapCached:        66608 kB
Active:           483668 kB
Inactive:         390360 kB
Active(anon):     462456 kB
Inactive(anon):   374188 kB
Active(file):      21212 kB
Inactive(file):    16172 kB
Unevictable:           0 kB
Mlocked:               0 kB
SwapTotal:        102396 kB
SwapFree:           3080 kB
Dirty:                96 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        740984 kB
Mapped:            61176 kB
Shmem:             29288 kB
Slab:              21932 kB
SReclaimable:       9084 kB
SUnreclaim:        12848 kB
KernelStack:        2064 kB
PageTables:         7012 kB
NFS_Unstable:          0 kB
Bounce:                0 kB
WritebackTmp:          0 kB
CommitLimit:      577120 kB
Committed_AS:    2873112 kB
VmallocTotal:    1114112 kB
VmallocUsed:           0 kB
VmallocChunk:          0 kB
CmaTotal:           8192 kB
CmaFree:            6796 kB

%1 仍在等待 getchar，如果我对 %2 执行相同的操作，它会起作用，但实际上是因为进程 %1 消失了（[= 上没有消息80=])

如果我 malloc（为程序提供第二个参数）

，行为是相同的

另见 mmap 系统调用中 MAP_ANONYMOUS 标志的用途是什么？

Answer 2

首先，如果您禁用交换（您不添加任何交换分区）并不意味着您没有使用交换。阅读下文。

您可以运行一个没有任何次要交换的系统 space，但这并不意味着您没有使用虚拟内存。您不能禁用虚拟内存，虚拟内存是实现 mmap(2) 系统调用的基本概念。

mmap(2) 使用一个文件来填充其用于内存段的页面的初始内容。但它做的更多......它为该段的分配页面使用普通虚拟内存，并在内核需要其中一些页面时将它们换出。由于有一个文件存放页面内容，所以不需要交换它，只需将页面内容写入文件中适当的位置即可。当其他进程附加了相同的共享内存段时，同一个页面被映射到两个进程上，当一个进程写入该页面时，另一个进程会立即看到它。此外，如果某个进程读取或写入文件，由于使用的块与读取磁盘文件的块相同，因此它将看到的数据是与两个进程共享的相同数据。这就是它的工作原理。

内核使用这种机制节省了大量的交换空间，而且这允许内核能够丢弃程序文本段的一部分，而不必将它们换出到辅助设备（因为它们已经在程序的文件文本段中）

当你说

What should happen if I mmaped some anonymous memory (but did not touch any of the pages)...

如果你没有接触到任何一个页面，那么可能这两个页面实际上都还没有被映射，只是资源准备使用，但还没有分配。当你在其中一个页面上出错时（例如，为了阅读，你承诺不会触摸它们）是映射到实际内存页面的页面，但磁盘备份（或它的交换 space）实际上是在文件，不在交换设备中。该页面实际上也是用于存储来自磁盘驱动程序的数据的磁盘块（更准确地说是一组磁盘块），因此不会使用相同数据的多个副本。

编辑

Anonymous mmap(2) 可能也使用磁盘块（在某些默认磁盘单元中）。因此，即使在您不使用交换设备的情况下，也可能允许您使用 mmap(2) 并将虚拟 space 映射到磁盘 inode。我没有检查过这个，但是旧的 unix 管道是这样工作的。为此可以使用一个临时 inode（没有在目录中分配的条目，例如带有打开进程的已擦除文件）。

了解内存分配

Understanding memory allocations

c

memory

mmap

linux-kernel

编辑