持续创作，加速成长！这是我参与「掘金日新计划 · 10 月更文挑战」的第18天，点击查看活动详情
malloc（）函数是C语言中内存分配函数，学习C语言的初学者经常会有如下的困扰。 假设系统中有进程A和进程B，分别使用testA和testB函数分配内存：
//进程A分配内存
void testA（void）
{
char * bufA = malloc（100）;
……
*buf = 100;
……
}
//进程B分配内存
void testB（void）
{
char * bufB = malloc（100）;
mlock（buf, 100）;
……
}
malloc（）函数返回的内存是否马上就分配物理内存？testA和testB分别在何时分配物理内存？假设不考虑libc的因素，malloc分配100Byte，那么实际上内核是为其分配100 Byte吗？假设使用printf打印指针bufA和bufB指向的地址是一样的，那么在内核中这两块虚拟内存是否“打架”了呢？vm_normal_page（）函数返回的什么样页面的struct page数据结构？为什么内存管理代码中需要这个函数？请简述get_user_page（）函数的作用和实现流程。请简述follow_page（）函数的作用的实现流程。 malloc（）函数是C函数库封装的一个核心函数，C函数库会做一些处理后调用Linux系统调用接口brk，所以大家并不太熟悉brk的系统调用，原因在于很少有人会直接使用系统调用brk向系统申请内存，而总是通过malloc（）之类的C函数库的API函数。如果把malloc（）想象成零售，那么brk就是代理商。malloc函数的实现为用户进程维护一个本地小仓库，当进程需要使用更多的内存时就向这个小仓库要货，小仓库存量不足时就通过代理商brk向内核批发。
brk实现
brk系统调用主要实现在mm/mmap.c函数中。
[mm/mmap.c]
0 SYSCALL_DEFINE1（brk, unsigned long, brk）
1 {
2 unsigned long retval;
3 unsigned long newbrk, oldbrk;
4 struct mm_struct *mm = current->mm;
5 unsigned long min_brk;
6 bool populate;
7
8 down_write（&mm->mmap_sem）;
9 min_brk = mm->end_data;
10 if （brk < min_brk）
11 goto out;
12
13 if （check_data_rlimit（rlimit（RLIMIT_DATA）, brk, mm->start_brk,
14 mm->end_data, mm->start_data））
15 goto out;
16
17 newbrk = PAGE_ALIGN（brk）;
18 oldbrk = PAGE_ALIGN（mm->brk）;
19 if （oldbrk == newbrk）
20 goto set_brk;
21
22 /* Always allow shrinking brk．*/
23 if （brk <= mm->brk） {
24 if （!do_munmap（mm, newbrk, oldbrk-newbrk））
25 goto set_brk;
26 goto out;
27 }
28
29 /* Check against existing mmap mappings．*/
30 if （find_vma_intersection（mm, oldbrk, newbrk+PAGE_SIZE））
31 goto out;
32
33 /* Ok, looks good - let it rip．*/
34 if （do_brk（oldbrk, newbrk-oldbrk） != oldbrk）
35 goto out;
36
37set_brk:
38 mm->brk = brk;
39 populate = newbrk > oldbrk && （mm->def_flags & VM_LOCKED） != 0;
40 up_write（&mm->mmap_sem）;
41 if （populate）
42 mm_populate（oldbrk, newbrk - oldbrk）;
43 return brk;
44
45out:
46 retval = mm->brk;
47 up_write（&mm->mmap_sem）;
48 return retval;
49}
在32位Linux内核中，每个用户进程拥有3GB的虚拟空间。内核如何为用户空间来划分这3GB的虚拟空间呢？用户进程的可执行文件由代码段和数据段组成，数据段包括所有的静态分配的数据空间，例如全局变量和静态局部变量等。这些空间在可执行文件装载时，内核就为其分配好这些空间，包括虚拟地址和物理页面，并建立好二者的映射关系。如图2.15所示，用户进程的用户栈从3GB虚拟空间的顶部开始，由顶向下延伸，而brk分配的空间是从数据段的顶部end_data到用户栈的底部。所以动态分配空间是从进程的end_data开始，每次分配一块空间，就把这个边界往上推进一段，同时内核和进程都会记录当前的边界的位置。
