跟我一起学Linux系统编程006B-进程内存布局、mmap调用、环境变量

 下图是一个32位Linux进程的内存空间分布图。

（1）保留区

从0开始到0x08048000这一段，属于保留区。实际上，这部分并不是个单一的内存区域，而是禁止用户进程访问的地址区域的总称，这段地址空间中受到操作系统保护。

如果这段内存区能操作的话，你的C代码中的空指针NULL也就合法了。所以，大多数操作系统中，极小的地址通常都是不允许访问的。C语言将无效指针赋值为0（NULL）也是出于这种考虑，因为0地址上正常情况下不会存放有效的可访问数据。

（2）代码段(text)

通常用于存放程序执行代码(即CPU执行的机器指令)。指令中包括操作码和操作对象（或对象地址引用），如果操作对象是立即数，直接会包含在本区代码段中；若是局部数据，将在栈区分配空间，然后引用该数据地址；若位于BSS段和数据段，指令会引用该数据地址。

（3）数据段(Data)

如果程序的数据是全局变量，并且定义的同时有初始化值。这样的变量，就存储在数据段。然后在进程在加载，这一段的内存就被复制到相应的内存。

当程序读取数据段的数据时，系统会触发缺页故障，从而分配相应的物理内存；当程序读取BSS段的数据时，内核会将其转到一个全零页面，不会发生缺页故障，也不会为其分配相应的物理内存。

（４）BSS段

没有初始化的全局变量会被加载到此段内存区。

虽然是没有初始化的全局变量，一般情况下，当加载器(loader)加载程序时，将为BSS段分配的内存初始化为0。这种初始化为０的动作一般是在程序运行到入口函数main()之前执行，不论是嵌入式软件、win进程或者是Linux平台，都差不多这样处理。BSS段不包含数据，仅维护开始和结束地址，以便内存能在运行时被有效地清零。

注意，编译器将所有未初始化的全局变量归拢到一起，放置在BSS段，进程运行的时候，采用把这块BSS连续内存区间置0的方式，非常高效。其实，BSS并不占用目标文件内的实际空间，只是在进程运行起来后占内存空间，即BSS段在应用程序的磁盘文件（二进制映象）中并不存在。

（5）堆(heap)

堆用于存放进程运行时动态分配的内存段，可动态扩张或缩减。

分配的堆内存是经过字节对齐的空间，以适合原子操作。堆管理器通过链表管理每个申请的内存，由于堆申请和释放是无序的，最终会产生内存碎片。堆内存一般由应用程序分配释放，回收的内存可供重新使用。若程序员不释放，程序结束时操作系统可能会自动回收。

堆中内容是匿名的，只能通过指针间接访问，不能按名字直接访问。当进程调用malloc(C)/new(C++)等函数分配内存时，新分配的内存动态添加到堆上(扩张)；当调用free(C)/delete(C++)等函数释放内存时，被释放的内存从堆中剔除(缩减) 。

堆的末端由break指针标识，当堆管理器需要更多内存时，可通过系统调用brk()和sbrk()来移动break指针以扩张堆，一般由系统自动调用。

使用堆时经常出现两种问题：1) 释放或改写仍在使用的内存(“内存破坏”)；2)未释放不再使用的内存(“内存泄漏”)。当释放次数少于申请次数时，可能已造成内存泄漏。泄漏的内存往往比忘记释放的数据结构更大，因为所分配的内存通常会圆整为下个大于申请数量的2的幂次(如申请111B，会圆整为128B)。

操作系统为堆维护一个记录空闲内存地址的链表。当系统收到程序的内存分配申请时，会遍历该链表寻找第一个空间大于所申请空间的堆结点，然后将该结点从空闲结点链表中删除，并将该结点空间分配给程序。若无足够大小的空间(可能由于内存碎片太多)，有可能调用系统功能去增加程序数据段的内存空间，以便有机会分到足够大小的内存，然后进行返回。

（6）内存映射段(mmap)

mmap其实和堆一样，也是动态分配内存的。

在Linux中，若通过malloc()请求一大块内存，大小超过128K就会使用mmap分配内存，在堆和栈之间找一块空闲内存分配（对应独立内存，而且初始化为0）。C运行库将创建一个匿名内存映射（该映射没有对应的文件, 可用于存放程序数据），而不使用堆内存。”大块” 意味着比阈值 MMAP_THRESHOLD还大，缺省为128KB，可通过mallopt()调整。

另外，mmap/munmap的IO映射也使用这个区域。内核将硬盘文件的内容直接映射到内存，内存映射是一种方便高效的文件I/O方式。普通文件被映射到进程地址空间后，进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问，不必再调用read()/write()等操作。 因而被用于装载动态共享库。用户也可创建匿名内存映射，该映射没有对应的文件, 可用于存放程序数据。

（7）栈

代码编译器和链接器后，进程栈的初始化大小就被计算而定了下来。但是，栈在运行过程中，随着函数的调用次序的变化而动态变动，入栈的函数越深，栈的所占用的内存空间就增大，反之则内存空间变小。所以，栈的实时大小并不是固定的。

当然，栈区也有界限，不可能无限增长，栈空间限制RLIMIT_STACK在32位模式下一般为 8M。在Linux中可以通过ulimit -s命令查看和设置栈的最大值，当程序使用的栈超过该值时, 发生栈溢出(Stack Overflow)，程序收到一个段错误(Segmentation Fault)。注意，调高栈容量可能会增加内存开销和启动时间。

（8）内核空间

内核总是驻留在内存中，是操作系统的一部分。内核空间为内核保留，不允许应用程序读写该区域的内容或直接调用内核代码定义的函数，如果违反就会触发段异常错误（Segmentation Fault）。

任何应用程序都可通过Linux的mmap()系统调用请求这种映射。

mmap是一种内存映射文件的方法，即将一个文件或者其它对象映射到进程的地址空间，实现文件地址和进程虚拟地址空间中一段虚拟地址的一一对映关系。实现这样的映射关系后，进程就可以采用指针的方式读写操作这一段内存，而系统会自动回写脏页面到对应的文件上，即完成了对文件的操作而不必再调用read,write等系统调用函数。相反，内核空间对这段区域的修改也直接反映用户空间，从而可以实现不同进程间的文件共享。

大家知道，在Linux上面一切皆是文件，在Linux平台上有多种设备，比如IO端口（点亮一个LED）、LCD控制器、磁盘控制器，所谓操作设备，其实就是往设备的物理地址读写数据。除了open/read/write之外，还有ioctl、ioremap和mmap。

由于应用程序不能直接操作设备硬件地址，所以操作系统提供了这样的一种机制——内存映射，把设备地址映射到进程虚拟地址，mmap就是实现内存映射的接口。

mmap的好处是，mmap把设备内存映射到虚拟内存，则用户操作虚拟内存相当于直接操作设备了，省去了用户空间到内核空间的复制过程，相对IO操作来说，增加了数据的吞吐量。

shell启动进程时，会把用户输入的参数传递到进程中去。代码的main(int argc,char *argv[])中，argc是传入参数的个数，argv数组存入的是传入的参数，从0开始，第一个固定存放的是程序本身的文件名，后面依次是传入的参数。

这里再说一句，main是进程的主要入口。系统在main函数进入之前，已经干了很多活，比如初始化BSS数据，内核准备了各种环境，比如建立进程文件描述符表之类的，这些就绪之后，才轮到main发威。

每一个进程都有与其相关的称之为环境列表的字符串数组，也可以简称为环境，其中每个字符串都以名称=值形式定义，因此环境是“名称-值”的成对集合，可存储任何信息，所以也把列表中的名称称为环境变量。每个程序都会接收到一张环境表。与参数表一样，环境表也是一个字符指针数组，其中每个指针包含一个以null结束的C字符串的地址。全局变量environ则包含了该指针地址。

shell命令printenv就可以看到环境变量。

$ printenv

SHELL=/bin/bash

QT_ACCESSIBILITY=1

COLORTERM=truecolor

XDG_CONFIG_DIRS=/etc/xdg/xdg-ubuntu:/etc/xdg

XDG_MENU_PREFIX=gnome-

GNOME_DESKTOP_SESSION_ID=this-is-deprecated

LANGUAGE=zh_CN:zh

MANDATORY_PATH=/usr/share/gconf/ubuntu.mandatory.path

GNOME_SHELL_SESSION_MODE=ubuntu

SSH_AUTH_SOCK=/run/user/1000/keyring/ssh

PATH=/home/songguoya/bin:/usr/local/sbin:/usr/local/bin:/usr/sbin:/usr/bin:/sbin:/bin:/usr/games:/usr/local/games:/snap/bin

获取某个环境变量值

char* getenv(const char *name) //name 是环境变量名，该函数返回对应环境变量的值。

修改环境变量

int putenv(char*string)

修改环境变量有时很有用处。因为修改后，对该进程后续创建的所有子进程均可见。进程间、程序间都可以用这种形式通信。

int setenv(const char*name,const char*value,int overwrite);

移除name环境变量

int unsetenv(const char *name);

参数name为环境列表名，该函数的作用就是从环境中移除name环境变量。

清空整个环境变量

int clearenv(void)

臭名昭著的setjmp()、longjmp()，最好不要在工程中用它！