[译] Ｃ程序员该知道的内存知识 (1)

上篇 《 踩坑记：go服务内存暴涨 》好像还挺受欢迎的。尽管文中的核心内容很少，但是为了让大多数人能读懂，中间花了很大的篇幅来解释。

尽管如此，我仍然觉得讲得不够透，思来想去觉得还是文中提到的《What a C programmer should know about memory》[1]讲得好，想借着假期翻译一下，也借机再学习一遍（顺便练习英文）。

内容有点长，我会分成几篇推送，感兴趣的话请关注这个号。

以下是正文。

C程序员应该知道的内存知识

2007年，Ulrich Drepper 大佬写了一篇“每个 程序员 都应该知道的内存知识”[2]，特别长，但干货满满。

但过去了这么多年（译注：原文写于2015年2月），“虚拟内存”这个概念对很多人依然很迷，就像 某种魔法 。呃，实在是忍不住引用一下（译注：应该是指皇后乐队的 A Kind of Magic）。

即使是该文的正确性，这么多年以后仍然被质疑[3]（译注：有人在stackoverflow上提问文中内容有多少还有效）。 出了什么事？

北桥？这是什么鬼？这可不是街头械斗。

（译注：北桥是早年电脑主板上的重要芯片，用来处理来自CPU、内存等设备的高速信号）

我会试着展现学习这些知识的实用性（即你可以做什么），包括“学习锁的基本原理”，和更多有趣的东西。你可以把这当成那篇文章和你日常使用的东西之间的胶水。

文中例子会使用 Linux 下的 C99 来写（译注：1999年版的 c语言 标准），但很多主题都是通用的。 注：我对 Windows 不太熟悉，但我会很高兴附上能解释它的文章链接（如果有的话）。我会尽量标注哪些方法是特定平台相关的。但我只是个凡人，如果你发现有出入，请告诉我。

理解虚拟内存 - 错综复杂

除非你在处理某些嵌入式系统或内核空间代码，否则你会在保护模式下工作。（译注：指的是x86 CPU提出的保护模式，通过硬件提供的一系列机制，操作系统可以用低权限运行用户代码）。这 太棒了 ，你的程序可以有独立的  [虚拟] 地址空间。“虚拟”这个词在这里很重要。这表示，包括其他一些情况，你不会被可用内存限制住，但也没有资格使用任何可用内存。想用这个空间，你得找OS要一些真东西来做“里子”，这叫 映射 （mapping）。这个里子（backing）可以是物理内存（并不一定需要是RAM），或者持久存储（译注：一般指硬盘 ）。前者被称为 “匿名映射” 。别急，马上讲重点。

虚拟内存分配器（VMA，virtual memory allocator）可能会给你一段并不由他持有的内存，并且徒劳地希望你不去用它。就像如今的银行一样（译注：应该是指银行存款）。这被称为 overcomiting[4]（译注：指允许申请超过可用空间的内存），有一些正当的应用有这种需求（例如稀疏数组），这也意味着内存分配不会简单被拒绝。

char *block = malloc(1024 * sizeof(char));
if (block == NULL) {
    return -ENOMEM; /\* sad :( \*/
}

检查 NULL 返回值是个好习惯，但已经没有过去那么强大了。由于 overcommmit 机制的存在，OS可能会给你的内存分配器一个有效的指针，但是当你要访问它的时候 —— 铛*。这里的“ 铛 ”是平台相关的，但是通常表现为你的进程被 OOM Killer [5]干掉。（译注：OOM 即 Out Of Memory，当内存不足时，Linux会根据一定规则挑出一个进程杀掉，并在 dmesg 里留下记录）

—— 这里有点过度简化了；在后面的章节里有进一步的解释，但我倾向于在钻研细节之前先过一遍这些更基础的东西。

进程的内存布局

进程的内存布局在 Gustavo Duarte 的《Anatomy of a Program in Memory》[6] 里解释得很好了，所以我只引用原文，希望这算是 合理使用 。我只有一些小意见，因为该文只介绍了 x86-32 的内存布局，不过还好 x86-64 变化不大，除了进程可以用大得多的空间 —— 在 Linux 下高达 48 位。

(来源：Linux地址空间布局 - by Gustavo Duarte)

译注：针对上图加一些解释备查

1. 图中显示的地址空间是由高到低，0x00000000在底部，最高0xFFFFFFFF，一共4GB（2^32）。
2. 高位的1GB是内核空间，用户代码 不能 读写，否则会触发段错误。图右侧标注的 0xC0000000 即 3GB；TASK_SIZE 是Linux内核编译配置的名称，表示内核空间的起始地址。
3. Random stack offset：加上随机偏移量以后可以大幅降低被栈溢出攻击的风险。
4. Stack（grows down）: 进程的栈空间，向下增长，栈底在高位地址，PUSH指令会减小CPU的SP寄存器（stack pointer）。图右侧的 RLIMIT_STACK 是内核对栈空间大小的限制，一般是8MB，可以用 setrlimit 系统调用修改。
5. Memory Mapping Segment：内存映射区，通过mmap系统调用，将文件映射到进程的地址空间（包括 libc.so 这样的动态库），或者匿名映射（不需要映射文件，让OS分配更多有里子的地址空间）。
6. Heap：我们常说的堆空间，从下往上增长，通过brk/sbrk系统调用扩展其上限
7. BSS段：包含未初始化的静态变量
8. Data段：代码里静态初始化的变量
9. Text段（ELF）：进程的可执行文件（机器码）
10. 这里说的段（segment）的概念，源于x86 cpu的段页式内存管理

图中也展示了 内存映射段（memory mapping segment, MMS）是向下增长的，但并不总是这样。MMS通常（详见Linux 内核代码 x86/mm/mmap.c:113 和 arch/mm/mmap.c:1953）开始于栈的最低地址（译注：即栈底）以下的某个随机地址。注意是“通常”，因为它也可能在栈的上方 ，如果栈空间限制很大（或无限；译注：可用setrlimit修改），或者启用了兼容布局。这一点有多重要？——不重要，但可以让你了解到 自由地址范围 （free address ranges）。

在上图中，你可以看到3个不同的变量存放区：进程的数据段（静态存储，或堆内存分配），内存映射段，和栈。我们从这里开始。

理解栈上的内存分配

装备箱：

• alloca() - 在调用方的栈帧上分配内存
• getrlimit() - 获取/设置 resource limits
• sigaltstack() - 设置或获取信号栈上下文

栈相对比较容易理解，毕竟每个人都知道如何在栈上放一个变量，对吧 ？比如：

int stairway = 2;
int heaven[] = { 6, 5, 4 };

变量的有效性受到作用域的限制。在 C 里，作用域指的就是一对大括号 {} 。因此每次遇到一个右大括号，对应的变量作用域就结束了。

然后是 alloca()，在当前 栈帧 上动态分配内存。栈帧和内存帧（也叫做物理页）不太一样，它只是一组被压到栈上的数据（函数，参数，变量等）。由于我们在栈顶（译注：SP寄存器总是指向栈顶），我们可以使用剩下的栈空间，只要不超过栈大小限制。

这就是变长数组（variable-length，VLA）和 alloca 的原理，区别在于 ，VLA受限于作用域，alloca分配的内存的有效性可以持续到当前函数返回。这里没有语言律师业务（译注：没人管你，爱咋咋地），但如果你在循环里用alloca可能会踩坑，因为你没办法释放它分配的空间：

void laugh(void) {
    for (unsigned i = 0; i < megatron; ++i) {
        char *res = alloca(2);
        memcpy(res, "ha", 2);
        char vla[2] = {'h','a'}
    } /* vla dies, res lives */
} /* all allocas die */

如果要申请大量内存，VLA和alloca都不太好使，因为你几乎无法控制可用的栈空间，如果分配内存超过栈限制，就会遇到令人喜闻乐见的stack overflow。有两种办法可以绕过它，但都不太实用：

第一种是用 sigaltstack() 来捕获并处理 SIGSEGV 信号，但这只能让你捕获栈溢出（译注：程序仍然无法获得所需的内存）。

另一种是编译时指定“split-stacks”，这会将一个大的stack分割成用链表组织的“栈碎片”（stacklet）。就我所知，GCC 和 clang 编译器可以用 -fsplit-stasck 选项来启用这个特性。理论上这会改善内存消耗，并降低创建线程的开销，因为刚开始的时候栈可以很小，并按需扩展。但实际上可能会遇到兼容问题，因为这需要一个支持 split-stack 的链接器（例如 gold；译注：这是GNU的ELF链接器，不同于我们常用的链接器 ld，针对ELF链接性能更好）、而这是对库透明的，还可能有性能问题，例如 Go 的 hot-split 问题，在 Agis Anastasopoulos 的这篇文章[7] 中有详细解释。（译注：Go 1.3 之前用 split stack，即前述用链表串起来的栈，在某些情况可能因反复的栈扩展和收缩带来性能问题；1.3 开始改成使用连续的栈空间，空间不够时重新分配、拷贝内容、修改指向栈空间的指针，因此也要求编译器能准确分析指针逃逸的情况）

休息一下，第一篇就到这里。

下一篇接着翻译下一节 Understanding  heap allocation，感兴趣的记得关注，等不及的推荐文末点击“阅读原文”。

顺便再贴下之前推送的几篇文章，祝过个充实的五一假期~

• 《 踩坑记：go服务内存暴涨 》
• 《 TCP：学得越多越不懂 》
• 《 TCP#2: 西厢记和西厢计划 》
• 《 UTF-8：一些好像没什么用的冷知识 》
• 《 关于RSA的一些趣事 》
• 《 程序员面试指北：面试官视角 》

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