郝健: Linux内存管理学习笔记-第3节课

摘要

进程的虚拟地址空间VMA（Virtual Memory Area）

Pagefault的几种可能性、VMA的作用、major缺页和minor缺页

进程内存消耗的4个概念：vss、rss、pss和uss

应用内存泄漏的界定方法

内存泄漏的检测工具：valgrind和addresssanitizer

1.    进程的虚拟地址空间VMA（Virtual Memory Area）

上图中，task_struct中的mm_struct就代表进程的整个内存资源，mm_struct中的pgd为页表，mmap指针指向的vm_area_struct链表的每一个节点就代表进程的一个虚拟地址空间，即一个VMA。一个VMA最终可能对应ELF可执行程序的数据段、代码段、堆、栈、或者动态链接库的某个部分。

VMA的分布情况可以有通过pmap命令，及maps，smaps文件查看，如下图：

pmap pid

pmap - report memory map of a process

/proc/<pid>/maps及/proc/<pid>/smaps更详细展示了进程VMA的分布情况。

观察pmap结果及maps，smaps文件，可以发现注：IA32下，一个进程的VMA是在0~3G之间分散分布的，是一段一段的，中间会有很多空白区域，空白区域对进程来说都是不能访问的，VMA中会标注这一段的RWX的具体权限。如下图所示：

另，VMA的具体内容可参考下图。

2.    Page fault的几种可能性、VMA的作用、major缺页和minor缺页

1）如，调用malloc申请100M内存，IA32下在0~3G虚拟地址中立刻就会占用到大小为100M的VMA，且符合堆的定义，这一段VMA的权限是R+W的。但由于Lazy机制，这100M其实并没有获得，这100M全部映射到一个物理地址相同的零页，且在页表中记录的权限为只读的。当100M中任何一页发生写操作时，MMU会给CPU发page fault（MMU可以从寄存器读出发生page fault的地址；MMU可以读出发生page fault的原因），Linux内核收到缺页中断，在缺页中断的处理程序中读出虚拟地址和原因，去VMA中查，发现是用户程序在写malloc的合法区域且有写权限，Linux内核就真正的申请内存，页表中对应一页的权限也修改为R+W。

2）如，程序中有野指针飞到了此程序运行时进程的VMA以外的非法区域，硬件就会收到page fault，进程会收到SIGSEGV信号报段错误并终止。

3）如，代码段在VMA中权限为R+X，如果程序中有野指针飞到此区域去写，则也会发生段错误。（另，malloc堆区在VMA中权限为R+W，如果程序的PC指针飞到此区域去执行，同样发生段错误。）

4）如，执行代码段时会发生缺页，Linux申请1页内存，并从硬盘读取出代码段，此时产生了IO操作，为major主缺页。

综上，page fault后，Linux会查VMA，也会比对VMA中和页表中的权限，体现出VMA的重要作用。

3.    进程内存消耗的4个概念：vss、rss、pss和uss

首先，我们评估一个进程的内存消耗都是指用户空间的内存，不包括内核空间的内存消耗，即IA32下，虚拟地址在0~3G的部分所对应的物理地址的内存。

VSS - Virtual Set Size

RSS - Resident Set Size

PSS - Proportional Set Size

USS - Unique Set Size

1044，1045，1054三个进程，每个进程都有一个页表，对应其虚拟地址如何向real memory上去转换。

process 1044的1，2，3都在虚拟地址空间，所以其VSS=1+2+3。

process 1044的4，5，6都在real memory上，所以其RSS=4+5+6。

分析real memory的具体瓜分情况：

4  libc代码段，1044，1045，1054三个进程都使用了libc的代码段，被三个进程分享。

5  bash shell的代码段，1044，1045都是bash shell，被两个进程分享。

6  1044独占

所以，上图中4+5+6并不全是1044进程消耗的内存，因为4明显被3个进程指向，5明显被2个进程指向，衍生出了PSS（按比例计算的驻留内存）的概念。进程1044的PSS为4/3 +5/2 +6。

最后，进程1044独占且驻留的内存USS为 6。

一般情况下，VSS >= RSS >= PSS >= USS。

评估进程内存耗费情况一般使用smem工具，查看PSS（最公平）：

1）命令行模式

2)饼状图模式

3）柱状图模式

跑一个死循环程序，观察其smaps文件。然后再把此程序跑一份，观察其smaps文件变化（smaps内容很长，只看第一段）：

可以看出PSS由4k变为2k，而Shared_clean由0k变为4k，Private_clean由4k变为0k。

4.    应用内存泄漏的界定方法

内存泄漏：进程运行的时间越久，耗费的内存越多，申请与释放不成对。

内存泄漏只看USS即可。

观察内存泄漏使用连续多点采样法：

5.    内存泄漏的检测工具：valgrind和addresssanitizer

每次free(p2)，没有free(p1)，申请与释放不成对。

使用valgrind检测由内存泄漏的程序：

使用addresssanitizer中的lsan工具检测程序内存泄漏：

调用 __lsan_do_leak_check()做检查

检测出泄漏了10次。

如今更流行使用addresssanitizer。

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