09 虚拟内存、mmap 与 malloc

本章知识图谱

图表渲染中…

为什么需要虚拟内存

虚拟内存提供三个核心能力：

简化内存管理：每个进程看到统一、连续的地址空间。
隔离和保护：不同进程同一虚拟地址可映射到不同物理页，权限可控。
高效共享：共享库、文件映射、copy-on-write。

虚拟地址空间：

V = {0, 1, \dots, 2^{n} - 1}

物理地址空间：

P = {0, 1, \dots, 2^{m} - 1}

分页

虚拟内存按页划分，物理内存按页帧划分。页大小为 $P = 2^{p}$ 字节。

虚拟地址拆分：

text

| VPN | VPO |

VPN：Virtual Page Number。
VPO：Virtual Page Offset，页内偏移，占 $p$ 位。

物理地址拆分：

text

| PPN | PPO |

页内偏移不变：

V P O = P P O

页表与 PTE

页表是 PTE 数组，完成虚拟页到物理页的映射。

PTE 常含：

valid bit：是否映射到物理内存。
physical page number。
权限位：读、写、执行、用户/内核。
dirty/reference 等状态位。

页命中：

PTE valid。
权限允许。
MMU 得到 PPN，拼接 offset 得到物理地址。

缺页：

PTE invalid 或页面不在物理内存。
CPU 触发 page fault。
内核缺页处理程序加载页面、更新 PTE。
可能回到 faulting instruction 重试。

TLB

TLB 是页表项的 Cache，缓存 VPN 到 PPN 的翻译结果。

TLB hit：

不必访问内存中的页表。
直接得到 PPN。

TLB miss：

需要查页表。
查到 valid PTE 后填入 TLB。
若 PTE invalid，才可能 page fault。

高频区别：

TLB miss 不等于 page fault。
page fault 通常意味着所需虚拟页没有有效物理映射或权限异常。
L1 Cache miss 也不等于 TLB miss，它们缓存的对象不同。

地址翻译模板

给定虚拟地址 VA：

根据页大小求 $p = \log_{2} (page size)$ 。
VPO = VA 低 $p$ 位。
VPN = VA 高位。
用 VPN 查 TLB。
TLB miss 则查页表。
PTE valid 则 PPN + VPO 形成 PA。
PTE invalid 则 page fault。

多级页表

单级页表空间开销大。例：48 位虚拟地址，4KB 页，8B PTE：

p = 12, V P N b i t s = 48 - 12 = 36

单级页表 PTE 数：

2^{36}

总大小：

2^{36} \times 8 = 2^{39} B = 512 G B

多级页表只为实际使用的虚拟地址区域分配下级页表，节省空间。

多级页表计算模板

题：64 位 VA，页大小 8KB，PTE 8B，4 级页表。

页偏移：

p = \log_{2} (8 K B) = \log_{2} (8192) = 13

每页可放 PTE 数：

\frac{8192}{8} = 1024 = 2^{10}

所以每级索引 10 位。

4 级页表支持 VPN 位数：

4 \times 10 = 40

最大有效虚拟地址位数：

40 + 13 = 53

注意：题目给“64 位虚拟地址空间”不代表所有 64 位都被当前 4 级结构实际覆盖。

逆向页表

逆向页表按物理页帧建表，而不是每个进程按虚拟页建表。

优势：

空间复杂度与物理内存大小成正比。
不与巨大虚拟地址空间直接成正比。

代价：

查找更复杂，通常依赖哈希和 TLB。
并不会消除 TLB miss。

内存映射

内存映射把虚拟内存区域和磁盘对象关联起来。

对象类型：

普通文件。
匿名对象。
共享对象。
私有 copy-on-write 对象。

mmap：

void *mmap(void *start, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);

常见用途：

把文件映射到内存，像访问数组一样访问文件内容。
共享库映射到多个进程。
父子进程 copy-on-write。

共享映射：

多个进程映射同一物理页。
修改可能对其他进程可见。

私有映射：

初始共享物理页。
写入时触发 copy-on-write，复制出私有页。

Dirty COW 的课程意义

Dirty COW 展示 copy-on-write 与并发竞争的安全风险：

只读文件被私有映射。
一个线程反复写映射区域。
另一个线程反复 madvise 影响页面状态。
内核竞态导致写入突破预期权限。

复习重点不是攻击代码，而是理解：

内存映射。
私有 COW。
页权限。
并发竞态会破坏抽象。

动态内存分配

malloc 在堆上分配块，free 释放块。

void *p = malloc(n);
free(p);

显式分配器：

程序显式调用 malloc/free。
C/C++ 常见。

隐式分配器：

运行时自动回收。
例如垃圾回收语言。

块结构

分配器需要知道：

给定 payload 指针，块有多大？
块是否空闲？
空闲块如何组织？

常见做法是在 payload 前放 header：

text

| header: size/allocated | payload ... | padding |

空闲块组织：

隐式空闲链表：遍历所有块。
显式空闲链表：只链接空闲块。
分离空闲链表：按大小类别维护多个链表。

碎片

内部碎片：已分配块内部浪费。

来源：

对齐要求。
header/footer 元数据。
分配器给出的块比请求大。

外部碎片：空闲总量足够，但没有单个连续空闲块足够大。

高频判断：

“合计空闲空间足够但没有单独大块”是外部碎片。
“payload 小于块大小造成浪费”是内部碎片。

内存泄漏

内存泄漏：程序丢失已分配堆块的指针，无法再释放。

例：

void f(void) {
    char *p = malloc(100);
    if (!p) return;
    p = malloc(200);  /* 原来的 100 字节地址丢失 */
    free(p);
}

正确做法：

char *p = malloc(100);
...
free(p);
p = NULL;

本章高频错因

把虚拟地址空间大小和物理内存大小混为一谈。
认为同一虚拟地址在不同进程必定映射到同一物理地址。
认为内核代码在用户态可随意访问。用户态不能执行特权访问。
把 TLB miss 当作 page fault。
页表大小计算忘记 PTE 大小。
多级页表题忘记每级页表也要装进一个页。
malloc 不一定立即触发物理页分配，可能首次访问时才缺页分配。
free 后继续使用指针是 use-after-free，不是普通内存泄漏。

09 虚拟内存、mmap 与 malloc ​

本章知识图谱 ​

为什么需要虚拟内存 ​

分页 ​

页表与 PTE ​

TLB ​

地址翻译模板 ​

多级页表 ​

多级页表计算模板 ​

逆向页表 ​

内存映射 ​

Dirty COW 的课程意义 ​

动态内存分配 ​

块结构 ​

碎片 ​

内存泄漏 ​

本章高频错因 ​

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为什么需要虚拟内存

分页

页表与 PTE

TLB

地址翻译模板

多级页表

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