进程地图

点一个框看它放什么、在哪篇讲过；选一条路径，一步一步看变量落在哪、一块内存怎么来的。蓝字可以直接点开对应的文章，“硬件地图”会打开硬件地图上接着走的那条路。

进程地图：一个 C++ 程序的虚拟地址空间 左边是一个进程的虚拟地址空间，高地址在上（x86-64、4 级页表、开了 PIE；不按比例）。右边是这些地址怎么落到物理内存上，以及出了错落在哪一段。 蓝字 = 在哪里讲过（#N = 交易系统笔记 #N，速查 = 速查页的小节，硬件地图 = 打开硬件地图上对应的路径）。数字都是量级。 红线 = 缺页时内核往页表里填一项。 高地址 ↑ 低地址 ↓ 0xffff ffff ffff ffff 0xffff 8000 0000 0000 0x0000 7fff ffff ffff ≈ 0x7ffc … ≈ 0x7f… ≈ 0x55… / 0x56… 0x0000 0000 0001 0000 0x0 用户空间（128 TiB）：每个进程一份 mmap 区 ↓：从高往低分配，下面四类都在这里 没映射的空地：堆往上长，mmap 区往下长，中间留得最大 内核空间（128 TiB）：所有进程共用同一份 内核代码和数据、每个进程的页表、每个线程的内核栈（16 KiB） 系统调用、缺页、中断时，CPU 切到这里执行 还有全部物理内存的线性映射、页缓存（读写文件时缓存的文件内容） 用户态的代码读写这段地址 → SIGSEGV #19 调度策略与内核调优 非规范地址空洞（约 16 M TiB） 地址只有 48 位有效：bit 47 往上必须全和 bit 47 相同，中间这一大段不能用 主线程的栈 ↓ 局部变量、函数参数、返回地址；每调用一层，往低地址长一段 上限默认 8 MiB（ulimit -s），用超了碰到保护页 → SIGSEGV #11 返回值优化：返回的对象直接构造在调用者的栈上 [vvar] [vdso]：内核映射进来的一小段代码和数据 clock_gettime、gettimeofday 在这里直接读 TSC 算时间，不进内核 #20 1.2 clock_gettime 走 vDSO 共享库（.so） libstdc++、libc、ld.so 每个库也分代码段、数据段 代码页所有进程共用一份 从源码到进程：.so 怎么加载 大块 malloc（≥ 128 KiB） glibc 直接 mmap 一块新映射 free 时立刻 munmap 还给内核 门槛会随使用自动调高 #3 2.1 mmap 陷阱 其他线程的栈 + TLS 每个线程一块，默认 8 MiB 最低处留一页保护页 thread_local 在栈顶那头 文件映射、共享内存 mmap 文件：读写的就是页缓存 /dev/shm：几个进程映射同一批页 大页（hugetlbfs）也映射在这里 #5 2 放进共享内存 堆 ↑（brk） new、malloc 的小块从这里切：先查本线程的缓存（tcache），不够再找 arena arena 不够了，brk 把堆顶往上推；推出来的只是虚拟地址 #3 内存池与分配器 .bss：没有初值的全局变量和 static 变量 初值都是 0，文件里只记大小，启动时映射成全 0 的页 .data：有初值的全局变量和 static 变量 初值存在可执行文件里，启动时映射进来，可读可写 .rodata：只读数据 字符串字面量、有常量初值的 const 全局变量、编译期算好的查找表 vtable 在 .data.rel.ro：启动时填好函数地址，再改成只读 虚函数 1.2 vptr 和 vtable .text：机器码（只读 + 可执行） 函数编译出来的指令；.plt 是调 .so 里函数的跳板 PIE 每次加载到随机地址；gdb 默认关掉随机化，基址常见 0x5555 5555 4000 #6 2.6 函数分组：代码也走缓存 0 – 64 KiB：不映射 空指针解引用落在这里 → SIGSEGV（vm.mmap_min_addr = 65536） C++ 里写的东西放在哪 int g = 1; // .data int z; // .bss const char* s = "hi"; // s：.data，"hi"：.rodata thread_local int t; // 每个线程一份（TLS） void f() { // 指令：.text int x = 0; // 栈 int* p = new int(2); // p：栈，*p：堆 char* b = new char[1 << 20]; // 1 MiB：mmap 区 } 线程：共享什么，各有什么 共享：整个地址空间，同一份页表 （代码、全局变量、堆、mmap 区、文件描述符） 各一份：栈、TLS、寄存器、内核栈 所以全局和堆上的数据要同步； 栈上的变量地址不传出去，就只有自己用 #2 内存序与缓存行 #18 线程安全队列 页表：虚拟地址 → 物理地址 每个进程一份；4 级，每级用 9 位，页内偏移 12 位 TLB 命中不额外花时间；没命中查页表约 15–30 ns 2 MiB 大页少查一级，一项 TLB 管 512 倍的地址 硬件地图：dTLB → 一次 load 走到内存 #6 2 MiB 大页 速查 2.1 TLB 覆盖范围 物理内存（内存条） 物理页零散地分在内存条上 连续的虚拟地址，背后的物理页不一定连续 同一个 .so 的代码页、/dev/shm 的页：几个进程共用 硬件地图：内存控制器 → 通道 每格 = 一页物理内存（4 KiB），颜色 = 属于左边哪一段； 白格 = 空闲或属于别的进程。同一种颜色的格子并不挨着。 缺页：第一次碰到才给物理页 new、mmap、brk 只拿到虚拟地址，页表里还没有 第一次写：陷入内核，分一页、清零、填进页表 约 0.5–2 µs；要读磁盘的（major）几十 µs 到 ms 地址不在任何映射里，或权限不对 → SIGSEGV #3 3.2 预先缺页 + mlock 出了错，落在图上哪里 空指针解引用 → 最低 64 KiB 的不映射区：SIGSEGV 递归太深、局部数组太大 → 越过栈底的保护页：SIGSEGV 改字符串字面量 → 写只读的 .rodata：SIGSEGV 越界、用已经释放的内存 → 多半还落在堆的映射里，不一定立刻崩，要用 ASan 查 内存泄漏 → 堆或 mmap 区一直涨，RSS 跟着涨；double free → glibc 检查到后 abort 在自己机器上看 cat /proc/<pid>/maps # 每一段的地址范围、权限、来源文件（r-xp 就是 .text） pmap -x <pid> # 每一段实际占了多少物理内存（RSS） size a.out # .text、.data、.bss 各多大 perf stat -e page-faults,dTLB-load-misses ./a.out # 缺页、TLB 未命中各几次 ulimit -s # 栈上限（KiB） 几个常见说法，哪里不对 “堆比栈慢”：访问一样快，都是普通内存；慢在 malloc 耗时不固定，以及对象散开以后局部性差 “用户空间 3 GB、内核 1 GB”：那是 32 位。64 位上用户空间是低 128 TiB，内核是高 128 TiB “全局区空间大”：.data、.bss 的大小链接时就定死了，要能变大的数据放堆上 “new 了就占内存”：第一次写之前不占物理页，RSS 不涨 “栈上的变量别的线程碰不到”：地址传过去就能读写，栈也在同一个地址空间里 虚拟 地址 物理地址 内核填一项 地址范围按 x86-64 Linux 的默认布局；开了 ASLR，栈、mmap 区、堆和程序本身的起点每次运行都随机挪一点。 图随文章更新：讲到 fork、动态链接、IO 时再往上补。