理解brk和sbrk

brk和sbrk的定义

　　在man手册中定义了这两个函数：

 

#include <unistd.h>
int brk(void *addr);
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。

 

　　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：

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int bss_end;

int main(void)
{
    void *tret;
        
    printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap start: %p\n", tret);
    return 0;
}

 

　　运行的结果为：

　　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。

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int bss_end;

int main(void)
{
    void *tret;
    char *pmem;
        
    printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap1 start: %p\n", tret);
    
    if (brk((char *)tret - 1) == -1)
        printf("brk error\n");
        
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap2 start: %p\n", tret);
    
    pmem = (char *)malloc(32);
    if (pmem == NULL) {
        perror("malloc");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    printf ("pmem:%p\n", pmem);
    
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap1 end: %p\n", tret);
    
    if (brk((char *)tret - 10) == -1)
        printf("brk error\n");
        
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap2 end: %p\n", tret);
    return 0;
}

 

　　运行结果为：

　　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：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void)
{
        void *tret;
        char *pmem;
        
        tret = sbrk(0);
        if (tret != (void *)-1)
                printf ("heap start: %p\n", tret);
                
        pmem = (char *)malloc(64);  //分配内存
        if (pmem == NULL) {
                perror("malloc");
                exit (EXIT_FAILURE);
        }
        printf ("pmem:%p\n", pmem);
        tret = sbrk(0);
        if (tret != (void *)-1)
                printf ("heap size on each load: %p\n", (char *)tret - pmem);
    free(pmem)
    return 0;
}

　　运行结果如下：

　　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。

参考

　　http://blog.csdn.net/sgbfblog/article/details/7772153