理解brk和sbrk

brk和sbrk的定義

　　在man手冊中定義了這兩個函數：

 

#include <unistd.h>
int brk(void *addr);
void *sbrk(intptr_t increment);

 

　　手冊上說brk和sbrk會改變program break的位置，program break被定義為程序data segment的結束位置。感覺這句話不是很好理解，從下面程序地址空間的分布來看，data segment后面還有bss segment，顯然和手冊說的不太一樣。一種可能的解釋就是手冊中的data segment和下圖中的data segment不是一個意思，手冊中的data segment應該包含了下圖中的data segment、bss segment和heap，所以program break指的就是下圖中heap的結束地址。

 

　　有了前面program break的概念后，我們來看下brk和sbrk的作用。brk通過傳遞的addr來重新設置program break，成功則返回0，否則返回-1。而sbrk用來增加heap，增加的大小通過參數increment決定，返回增加大小前的heap的program break，如果increment為0則返回program break。

　　從上面的圖可以看出heap的起始地址並不是bss segment的結束地址，而是隨機分配的，下面我們用一個程序來驗證下：

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
 
int bss_end;

int main(void)
{
    void *tret;
        
    printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap start: %p\n", tret);
    return 0;
}

 

　　運行的結果為：

　　從上面運行結果可以知道bss和heap是不相鄰的，並且同一個程序bss的結束地址是固定的，而heap的起始地址在每次運行的時候都會改變。你可能會說sbkr(0)返回的是heap的結束地址，怎么上面確把它當做起始地址呢？由於程序開始運行時heap的大小是為0，所以起始地址和結束地址是一樣的，不信我們可以用下面的程序驗證下。

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int bss_end;

int main(void)
{
    void *tret;
    char *pmem;
        
    printf("bss end: %p\n", (char *)(&bss_end) + 4);
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap1 start: %p\n", tret);
    
    if (brk((char *)tret - 1) == -1)
        printf("brk error\n");
        
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap2 start: %p\n", tret);
    
    pmem = (char *)malloc(32);
    if (pmem == NULL) {
        perror("malloc");
        exit (EXIT_FAILURE);
    }
    printf ("pmem:%p\n", pmem);
    
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap1 end: %p\n", tret);
    
    if (brk((char *)tret - 10) == -1)
        printf("brk error\n");
        
    tret = sbrk(0);
    if (tret != (void *)-1)
        printf ("heap2 end: %p\n", tret);
    return 0;
}

 

　　運行結果為：

　　程序開始的時候打印出來heap的結束地址，並用這個地址減1來重新設置heap的結束地址，結果兩次的結束地址居然是一樣的，那說明這個結束地址就是heap的起始地址，再減小這個起始地址是不允許的，不過brk也不會報錯。然后調用malloc獲取內存，並打印出該內存的起始地址pmem，可以發現pmem與heap的起始地址相差8個字節，為什么會有8個字節沒有？這8個字節應該是用來管理heap空間的（不深究）。最后再次獲得heap的結束地址，並用這個地址減10來重新設置heap的結束地址，這下地址設置成功了。

堆的管理

　　上面的函數我們其實很少使用，大部分我們使用的是malloc和free函數來分配和釋放內存。這樣能夠提高程序的性能，不是每次分配內存都調用brk或sbrk，而是重用前面空閑的內存空間。brk和sbrk分配的堆空間類似於緩沖池，每次malloc從緩沖池獲得內存，如果緩沖池不夠了，再調用brk或sbrk擴充緩沖池，直到達到緩沖池大小的上限，free則將應用程序使用的內存空間歸還給緩沖池。

　　如果緩沖池需要擴充時，一次擴充多少呢？先運行下面的程序看看：

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <stdlib.h>
 
int main(void)
{
        void *tret;
        char *pmem;
        
        tret = sbrk(0);
        if (tret != (void *)-1)
                printf ("heap start: %p\n", tret);
                
        pmem = (char *)malloc(64);  //分配內存
        if (pmem == NULL) {
                perror("malloc");
                exit (EXIT_FAILURE);
        }
        printf ("pmem:%p\n", pmem);
        tret = sbrk(0);
        if (tret != (void *)-1)
                printf ("heap size on each load: %p\n", (char *)tret - pmem);
    free(pmem)
    return 0;
}

　　運行結果如下：

　　從結果可以看出調用malloc(64)后緩沖池大小從0變成了0x20ff8，將上面的malloc(64)改成malloc(1)結果也是一樣，只要malloc分配的內存數量不超過0x20ff8，緩沖池都是默認擴充0x20ff8大小。值得注意的是如果malloc一次分配的內存超過了0x20ff8，malloc不再從堆中分配空間，而是使用mmap()這個系統調用從映射區尋找可用的內存空間。

參考

　　http://blog.csdn.net/sgbfblog/article/details/7772153