示例展示虚拟内存和物理内存的分配
示例展示虚拟内存和物理内存的分配
通过前两篇文章（系统调用mmap的内核实现分析，Linux下Page Fault的处理流程）我们可以知道，虚拟内存是在我们向操作系统申请内存（比如malloc或mmap）时分配的，而物理内存是在我们使用（比如读或写）虚拟内存时通过page fault分配的。
不管是虚拟内存的分配还是物理内存的分配，都是以page为单位的，page的默认大小为4096。
之前的两篇文章理论和代码部分比较多，所以，现在我们用示例的形式，展示下虚拟内存和物理内存的分配。
先看下面的这个小程序：
#include <stdio.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>
int main(int argc, char *argv[]) {
char *p;
printf("1\n");
sleep(10);
p = mmap(NULL, 4096 + 1, PROT_READ | PROT_WRITE, MAP_PRIVATE | MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (p == MAP_FAILED) {
perror("mmap");
return -1;
}
printf("2: %p\n", p);
sleep(10);
*p = 1;
printf("3: %p\n", p);
sleep(10);
p += 4096;
*p = 2;
printf("4: %p\n", p);
sleep(10);
return 0;
}编译并执行，结果为：
$ gcc main.c && ./a.out
1
2: 0x7efea597d000
3: 0x7efea597d000
4: 0x7efea597e000在输出1、2、3、4时，分别用pmap命令查看当时的内存分配情况，对应到下面的四次输出：
$ pmap -x $(pgrep a.out)
7018: ./a.out
Address Kbytes RSS Dirty Mode Mapping
0000564744227000 4 4 0 r---- a.out
0000564744228000 4 4 0 r-x-- a.out
0000564744229000 4 4 0 r---- a.out
000056474422a000 4 4 4 r---- a.out
000056474422b000 4 4 4 rw--- a.out
0000564745373000 132 4 4 rw--- [ anon ]
00007efea579e000 148 140 0 r---- libc-2.29.so
00007efea57c3000 1320 748 0 r-x-- libc-2.29.so
00007efea590d000 292 64 0 r---- libc-2.29.so
00007efea5956000 4 0 0 ----- libc-2.29.so
00007efea5957000 12 12 12 r---- libc-2.29.so
00007efea595a000 12 12 12 rw--- libc-2.29.so
00007efea595d000 24 16 16 rw--- [ anon ]
00007efea597f000 8 8 0 r---- ld-2.29.so
00007efea5981000 124 124 0 r-x-- ld-2.29.so
00007efea59a0000 32 32 0 r---- ld-2.29.so
00007efea59a9000 4 4 4 r---- ld-2.29.so
00007efea59aa000 4 4 4 rw--- ld-2.29.so
00007efea59ab000 4 4 4 rw--- [ anon ]
00007ffff006d000 132 12 12 rw--- [ stack ]
00007ffff00ee000 12 0 0 r---- [ anon ]
00007ffff00f1000 4 4 0 r-x-- [ anon ]
---------------- ------- ------- -------
total kB 2288 1208 76
$ pmap -x $(pgrep a.out)
7018: ./a.out
Address Kbytes RSS Dirty Mode Mapping
0000564744227000 4 4 0 r---- a.out
0000564744228000 4 4 0 r-x-- a.out
0000564744229000 4 4 0 r---- a.out
000056474422a000 4 4 4 r---- a.out
000056474422b000 4 4 4 rw--- a.out
0000564745373000 132 4 4 rw--- [ anon ]
00007efea579e000 148 140 0 r---- libc-2.29.so
00007efea57c3000 1320 940 0 r-x-- libc-2.29.so
00007efea590d000 292 128 0 r---- libc-2.29.so
00007efea5956000 4 0 0 ----- libc-2.29.so
00007efea5957000 12 12 12 r---- libc-2.29.so
00007efea595a000 12 12 12 rw--- libc-2.29.so
00007efea595d000 24 16 16 rw--- [ anon ]
00007efea597d000 8 0 0 rw--- [ anon ]
00007efea597f000 8 8 0 r---- ld-2.29.so
00007efea5981000 124 124 0 r-x-- ld-2.29.so
00007efea59a0000 32 32 0 r---- ld-2.29.so
00007efea59a9000 4 4 4 r---- ld-2.29.so
00007efea59aa000 4 4 4 rw--- ld-2.29.so
00007efea59ab000 4 4 4 rw--- [ anon ]
00007ffff006d000 132 12 12 rw--- [ stack ]
00007ffff00ee000 12 0 0 r---- [ anon ]
00007ffff00f1000 4 4 0 r-x-- [ anon ]
---------------- ------- ------- -------
total kB 2296 1464 76
$ pmap -x $(pgrep a.out)
7018: ./a.out
Address Kbytes RSS Dirty Mode Mapping
0000564744227000 4 4 0 r---- a.out
0000564744228000 4 4 0 r-x-- a.out
0000564744229000 4 4 0 r---- a.out
000056474422a000 4 4 4 r---- a.out
000056474422b000 4 4 4 rw--- a.out
0000564745373000 132 4 4 rw--- [ anon ]
00007efea579e000 148 140 0 r---- libc-2.29.so
00007efea57c3000 1320 940 0 r-x-- libc-2.29.so
00007efea590d000 292 128 0 r---- libc-2.29.so
00007efea5956000 4 0 0 ----- libc-2.29.so
00007efea5957000 12 12 12 r---- libc-2.29.so
00007efea595a000 12 12 12 rw--- libc-2.29.so
00007efea595d000 24 16 16 rw--- [ anon ]
00007efea597d000 8 4 4 rw--- [ anon ]
00007efea597f000 8 8 0 r---- ld-2.29.so
00007efea5981000 124 124 0 r-x-- ld-2.29.so
00007efea59a0000 32 32 0 r---- ld-2.29.so
00007efea59a9000 4 4 4 r---- ld-2.29.so
00007efea59aa000 4 4 4 rw--- ld-2.29.so
00007efea59ab000 4 4 4 rw--- [ anon ]
00007ffff006d000 132 12 12 rw--- [ stack ]
00007ffff00ee000 12 0 0 r---- [ anon ]
00007ffff00f1000 4 4 0 r-x-- [ anon ]
---------------- ------- ------- -------
total kB 2296 1468 80
$ pmap -x $(pgrep a.out)
7018: ./a.out
Address Kbytes RSS Dirty Mode Mapping
0000564744227000 4 4 0 r---- a.out
0000564744228000 4 4 0 r-x-- a.out
0000564744229000 4 4 0 r---- a.out
000056474422a000 4 4 4 r---- a.out
000056474422b000 4 4 4 rw--- a.out
0000564745373000 132 4 4 rw--- [ anon ]
00007efea579e000 148 140 0 r---- libc-2.29.so
00007efea57c3000 1320 940 0 r-x-- libc-2.29.so
00007efea590d000 292 128 0 r---- libc-2.29.so
00007efea5956000 4 0 0 ----- libc-2.29.so
00007efea5957000 12 12 12 r---- libc-2.29.so
00007efea595a000 12 12 12 rw--- libc-2.29.so
00007efea595d000 24 16 16 rw--- [ anon ]
00007efea597d000 8 8 8 rw--- [ anon ]
00007efea597f000 8 8 0 r---- ld-2.29.so
00007efea5981000 124 124 0 r-x-- ld-2.29.so
00007efea59a0000 32 32 0 r---- ld-2.29.so
00007efea59a9000 4 4 4 r---- ld-2.29.so
00007efea59aa000 4 4 4 rw--- ld-2.29.so
00007efea59ab000 4 4 4 rw--- [ anon ]
00007ffff006d000 132 12 12 rw--- [ stack ]
00007ffff00ee000 12 0 0 r---- [ anon ]
00007ffff00f1000 4 4 0 r-x-- [ anon ]
---------------- ------- ------- -------
total kB 2296 1472 84当程序输出1时，此时第一次pmap命令的输出就是该程序的原始内存情况。
当程序输出2时，此时已经执行过mmap操作，对应的第二次pmap命令的输出比第一次多了一个[ anon ]区域（第45行），该区域的起始地址也正好和程序输出2时输出的地址相同，说明该区域就是我们用mmap分配的内存区域。
该区域的虚拟内存大小是8k，因为我们在调用mmap时指定的内存大小是4097，page对齐后正好是8k。
该区域的物理内存大小是0，因为我们还没使用过该区域。
当程序输出3时，此时我们已经对p对应的地址空间赋值，也就是使用了虚拟内存的第一个page，对应看pmap命令的第三次输出，此时的[ anon ]区域（第74行）显示物理内存已使用4k。
当程序输出4时，此时我们已经对虚拟内存的第二个page进行了写操作，对应看pmap命令的第四次输出，此时的[ anon ]区域（第103行）显示已使用的物理内存是8k。
通过上面的示例程序和pmap命令，我们可以清楚的看到，进程的虚拟内存和物理内存是何时分配的。
那如何确定物理内存的分配是page fault触发的呢？
这里我们介绍一个非常强大的工具bpftrace，它使用了内核的ebpf特性，使得我们可以动态监控内核里的方法调用。
工具的详细描述请看下面的地址：
https://github.com/iovisor/bpftrace
下面结合上面的例子，展示下该工具的使用：
sudo bpftrace -e 'kprobe:handle_mm_fault /comm == "a.out"/ { printf("addr: 0x%lx\n", arg1); }'
该命令的意思是，监控内核的handle_mm_fault方法，如果调用该方法的程序是a.out，则输出该方法第二个参数的值。
由上一篇文章我们可以知道，handle_mm_fault方法就是被do_page_fault调用的方法，方法内容大致如下：
// mm/memory.c
vm_fault_t handle_mm_fault(struct vm_area_struct *vma, unsigned long address,
unsigned int flags)
{
...
}由此可见，我们输出的第二个参数，就是触发page fault的虚拟内存地址。
好，看下bpftrace命令的输出：
$ sudo bpftrace -e 'kprobe:handle_mm_fault /comm == "a.out"/ { printf("addr: 0x%lx\n", arg1); }'
...
addr: 0x7efea597d000
addr: 0x7efea597e000
...由上可见，bpftrace命令输出的page fault触发地址，正是我们的程序在输出3、4时输出的地址。
由此可见，示例程序中的那两次赋值操作，触发了page fault，进而分配了物理内存。
再推荐下我们之前推荐过的一篇文章，讲的也是linux内核对进程内存的分配、管理等，相信这次你会更加理解这篇文章。
https://manybutfinite.com/post/how-the-kernel-manages-your-memory/
完。
本文分享自 Linux内核及JVM底层相关技术研究 微信公众号，前往查看
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