图解Linux下C内存分配 by using gpt

我们可以通过GPT来详细地图解Linux上的C内存分配。这个过程可以进一步细化，只要你愿意。

最小的 C 代码示例

以下代码使用了标准 C 库函数 malloc 分配一块内存：

#include <stdlib.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    int *ptr = (int *)malloc(sizeof(int) * 10); // 分配10个整数大小的内存
    if (ptr == NULL) {
        perror("Memory allocation failed");
        return 1;
    }
    free(ptr); // 释放内存
    return 0;
}

系统调用的分叉情况

brk 和 sbrk 系统调用接口

brk 和 sbrk 是用于调整数据段（heap）大小的系统调用。以下是它们的接口说明：

brk

#include <unistd.h>

int brk(void *end_data_segment);

end_data_segment: 指向新的数据段末尾的指针。
返回值: 成功时返回 0，失败时返回 -1 并设置 errno。

sbrk

#include <unistd.h>

void *sbrk(intptr_t increment);

increment: 增加或减少数据段大小的字节数。
返回值: 成功时返回之前的程序 break 地址，失败时返回 (void *) -1 并设置 errno。

直接从 C 代码调用 brk 和 sbrk 的示例

#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    void *initial_brk = sbrk(0); // 获取当前的程序 break 地址
    printf("Initial program break: %p\n", initial_brk);

    // 增加数据段大小
    if (sbrk(1024) == (void *) -1) {
        perror("sbrk failed");
        return 1;
    }

    void *new_brk = sbrk(0); // 获取新的程序 break 地址
    printf("New program break: %p\n", new_brk);

    // 恢复原来的数据段大小
    if (brk(initial_brk) == -1) {
        perror("brk failed");
        return 1;
    }

    printf("Program break reset to: %p\n", sbrk(0));
    return 0;
}

mmap 系统调用接口

mmap 是用于映射文件或设备到内存的系统调用。以下是它的接口说明：

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>

void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

addr: 映射的起始地址，通常为 NULL 以让内核选择地址。
length: 映射的字节数。
prot: 内存保护标志，如 PROT_READ、PROT_WRITE 等。
flags: 映射选项，如 MAP_PRIVATE、MAP_ANONYMOUS 等。
fd: 文件描述符，若使用匿名映射则为 -1。
offset: 文件映射的偏移量，通常为 0。
返回值: 成功时返回映射区域的指针，失败时返回 MAP_FAILED 并设置 errno。

直接从 C 代码调用 mmap 的示例

#include <sys/mman.h>
#include <fcntl.h>
#include <unistd.h>
#include <stdio.h>

int main() {
    size_t length = 4096; // 映射 4KB 内存
    void *addr = mmap(NULL, length, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
    if (addr == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        return 1;
    }

    printf("Memory mapped at address %p\n", addr);

    // 使用映射的内存
    int *array = (int *)addr;
    for (int i = 0; i < length / sizeof(int); i++) {
        array[i] = i;
    }

    // 取消映射
    if (munmap(addr, length) == -1) {
        perror("munmap failed");
        return 1;
    }

    return 0;
}

综合，malloc内部的分叉逻辑：

小内存块（例如几 KB）：通过 brk 调整堆的大小。
大内存块（通常超过一定阈值，如 128 KB）：通过 mmap 分配匿名内存区域。

用户态到内核态流程的 Mermaid 图

内存分配的 Mermaid 图示

解释：

Heap Start 和 Heap End 表示由 brk/sbrk 管理的堆区域。
Anonymous Memory Region 是通过 mmap 分配的虚拟内存。
Kernel Memory Manager 负责将虚拟地址映射到物理内存页。

最小程序加载后的内存分布示意图（演示brk/sbrk直接在Heap区域分配小内存）

解释：

Kernel Space：内核空间。
Stack：存储函数调用的栈帧和局部变量。
Unmapped Memory：未映射的内存区域。
Heap Start 和 Heap End：由 brk/sbrk 管理的堆区域。
Uninitialized Data Segment：存储未初始化的全局和静态变量（BSS段）。
Initialized Data Segment：存储已初始化的全局和静态变量。
Program Static Code Segment：存储程序的代码。

mmap 分配匿名内存区域的示意图

Anonymous Memory Region 是通过 mmap 分配的虚拟内存。
mmap 分配的内存区域不在 HEAP 区域内，因为 mmap 直接在虚拟地址空间中分配内存，而不依赖于堆的增长。堆的增长是通过 brk/sbrk 系统调用来管理的，而 mmap 则用于分配较大的内存块或特定用途的内存区域，如共享内存或文件映射。这样可以避免堆和 mmap 分配的内存区域相互干扰，提高内存管理的灵活性和效率。