内存管理—–堆
上一篇笔记中，讲完了栈段，数据段和代码段，现在补充堆的内容。
在C语言中，通过类似malloc这样的函数，手动向系统要求分配空间的时候，系统是从堆里分配出空间的。
代码如下：
#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#include<sys/types.h>
#include<unistd.h>
#include<string.h>
int main(void){
void *p_num = malloc(1024);
if(!p_num) return -1;
printf("pid:%d\n",getpid());
printf("p_num=%p\n",p_num);
strcpy(p_num,"hello kitty!");
getchar();
free(p_num);
printf("%s\n",(char *)p_num);
p_num = NULL;
return 0;
}
/--------------------------------------------------------
pid:6687
p_num=0x5584b62c3260
/--------------------------------------------------------
5584b5b54000-5584b5b55000 r-xp 00000000 08:01 1051666 /home/linxin/UC/day05/malloc
5584b5d54000-5584b5d55000 r--p 00000000 08:01 1051666 /home/linxin/UC/day05/malloc
5584b5d55000-5584b5d56000 rw-p 00001000 08:01 1051666 /home/linxin/UC/day05/malloc
5584b62c3000-5584b62e4000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap]
7f844e3fd000-7f844e5d3000 r-xp 00000000 08:01 1572948 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.26.so
7f844e5d3000-7f844e7d3000 ---p 001d6000 08:01 1572948 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.26.so
7f844e7d3000-7f844e7d7000 r--p 001d6000 08:01 1572948 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.26.so
7f844e7d7000-7f844e7d9000 rw-p 001da000 08:01 1572948 /lib/x86_64-linux-gnu/libc-2.26.so
7f844e7d9000-7f844e7dd000 rw-p 00000000 00:00 0
7f844e7dd000-7f844e804000 r-xp 00000000 08:01 1572880 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.26.so
7f844e9e2000-7f844e9e4000 rw-p 00000000 00:00 0
7f844ea04000-7f844ea05000 r--p 00027000 08:01 1572880 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.26.so
7f844ea05000-7f844ea06000 rw-p 00028000 08:01 1572880 /lib/x86_64-linux-gnu/ld-2.26.so
7f844ea06000-7f844ea07000 rw-p 00000000 00:00 0
7fff832b3000-7fff832d4000 rw-p 00000000 00:00 0 [stack]
7fff83325000-7fff83328000 r--p 00000000 00:00 0 [vvar]
7fff83328000-7fff8332a000 r-xp 00000000 00:00 0 [vdso]
ffffffffff600000-ffffffffff601000 r-xp 00000000 00:00 0 [vsyscall]对比程序输出的malloc返回的地址和进程的映射图，可以得知，这块分配的内存来自于heap，也就是堆。
注意上述程序，是先调用free函数，释放申请的空间，然后通过printf来打印字符串。
首先，这样的做法是错误的。但是，是有可能输出正确的结果的。这是为什么？
需要明确free这个函数的机理。释放，不会改变指针的指向，也不会自动破坏那块空间内的数据。它把那块空间的权限从私有变成了共有。这个时候进程的其他部分也可以操作这块区域。如果，在读取之前没有破坏就是可以输出正确的结果的。
通过mmap将虚拟地址映射到物理地址
系统提供了两个函数，如下：
#include <sys/mman.h>
void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags,int fd, off_t offset);
功能：将一块虚拟地址空间映射到物理地址上（为调用这个函数的进程创建一个新的虚拟地址空间映射）
参数：
addr：需要映射的虚拟地址空间的起始地址。如果为NULL，将由系统为其分配起始地址，这样使用使用很好。
length：从虚拟地址空间的起始地址，连续映射length长度的地址。虚拟地址空间的映射单位是页，一页有4k，所以无论length有多长，最终映射的地址必定是4k的整数倍。
port：决定了了对这个虚拟地址的访问方式
PROT_EXEC Pages may be executed. 可执行
PROT_READ Pages may be read. 可读
PROT_WRITE Pages may be written. 可写
PROT_NONE Pages may not be accessed. 不可访问
除了最后一种值，其他的三个值是可以连用的，通过按位或的方式，PS：PROT_EXEC|PROT_READ，表示可读可写。
flags：对映射区域的更新是否显示给其他进程（仅仅指那些和这个进程映射同一虚拟地址空间的进程），是否将更新同步到文件。
MAP_SHARED：是。
MAP_PRIVATE：否，也就是私有访问。
这个参数的上述两个值，二选一，然后可以再和以下的值连用，用按位或的方式：
MAP_ANONYMOUS：匿名访问，如果用这种方式访问，那么后续的fd参数将会被忽略，建议让fd = -1，offsert = 0
offset：在新版内核种，要求offset的值，必须是页的整数倍。
返回值：
如果分配成功，就会返回一个void指针类型，返回的是系统映射好的虚拟地址空间的首地址
如果分配失败，就会返回一个（void *）-1，并且设置errno的值
int munmap(void *addr, size_t length);
功能：解除虚拟地址空间到物理地址的映射
参数：
addr：mmap函数的返回值
length：映射的虚拟地址空间的长度应用以下，代码如下：
#include <stdio.h>
#include <errno.h>
#include <string.h>
#include <sys/mman.h>
#include <sys/types.h>
#include <unistd.h>
int main(void){
//使用mmap将物理地址映射到进程的虚拟地址
void *p_mmap = mmap(NULL,128,PROT_READ|PROT_WRITE|PROT_EXEC,MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS,-1,0);
if(p_mmap == MAP_FAILED){
perror("mapp failed,because of");
return -1;
}
//解除映射
printf("mmap success...\n");
strcpy(p_mmap,"hello beijing\n");
printf("%s\n",(char *)p_mmap);
printf("pid:%d\n",getpid());
printf("p_mapp:%p\n",p_mmap);
printf("&p_mapp:%p\n",&p_mmap);
getchar();
munmap(p_mmap,128);
getchar();
return 0;
}
/-----------------------------------------------------
mmap success...
hello beijing
pid:7119
p_mapp:0x7f14f87a2000
&p_mapp:0x7ffd7d110f20通过system call 完成文件的操作
系统提供了一组对文件操作的system call，先介绍open，close，如下：
#include <sys/types.h>
#include <sys/stat.h>
#include <fcntl.h>
int open(const char *pathname, int flags,...);
功能：打开一个文件
参数：
pathname：需要打开文件的路径
flags：设置这个文件的访问方式
O_RDONLY：只读
O_WRONLY：只写
O_RDWR：读写
以上三个标记，三选一。上述选择的标记可以和零个或者多个以下标记连用，用按位或的方式
O_APPEND：以追加的方式打开文件，通过lseek(2)将文件指针的位置设置到文件末尾
O_CREAT：如果文件不存在，创建一个文件。并且会多一个参数mode用于设置文件的权限，权限的计算方法：mode & ~umask
O_EXCL：和O_CREAT连用，如果文件已经存在，报错。open(2)函数会失败。
O_TRUNC：如果文件已经存在其是一个一般文件，打开方式包含写权限，那么这个文件就会被清空
返回值：
成功，一个非负的整数，最小的，没有被使用的文件描述符
失败，返回-1，并设置errno
#include <unistd.h>
int close(int fd);
功能：关闭一个文件
参数：open(2)的返回值那么什么是文件描述符呢？
在内核中，为每一个进程都创建了一个PCB（进程控制块），在PCB中用一个结构体描述了当前进程使用的资源。其中有一个成员变量是文件类型的指针数组（file* []）。
当进程打开一个文件的时候，会创建一个文件类型（一个结构体类型）的实例，内核会将这个实例的地址存放在PCB用于描述资源的结构体中的指针数组（file* []），而这个数组的下标，就称为文件描述符。
当一个文件关闭的时候，会在数组中将这个文件的地址清零，但是不对文件的实例进行操作。如果数组里有两个元素记录了同一个文件地址，其中一个清零的时候，不影响另一个，系统也没有办法回收文件的实例。
文件地址在数组中清零后，那么数组的这个位置就空出来了，这个时候如果再open(2)一个文件，内核会从数组的0下标位置开始向下寻找一个空的位置用于存放新文件的地址。
这就是为什么open(2)的返回值是一个非负整数，最小的，没有使用的文件描述符。
另外，如果是在bash中启动的进程，那么PCB中的文件指针数组的前三个位置是固定的，分别是：
0：标准输入： STDIN_FILENO 键盘
1：标准输出： STDOUT_FILENO 显示器
2：标准错误输出： STDERR_FILENO 显示器
最后介绍一下一个文件的权限：
权限：
-rw-rw-r– 1 tarena tarena 3299 5月 4 15:00 day05.txt
最前面的占位符，代表文件的类型
-：一般文件
d：代表文件夹文件
c：字符设备文件
b：块设备文件
s：socket文件
l：软链接文件
p：管道文件
-**rw-**rw-r–
属主（u）权限
-rw-**rw-**r–
属组（g）权限
-rw-rw-r–
其他（o）权限
所有（a）
rwxrwxrwx
xxx 特殊含义，0
0777
umask
权限掩码，
etc$umask
0002
etc
umask
0033