最近在看一本叫《程序员的自我修养－链接.装载域库》(俞甲子，石凡，潘爱民著)这本书，不得不像大家安利这本书，从最基本的EFL文件到链接，再到装载，虽然现在还没看完，但是对程序的可执行文件和虚拟内存的布局有了进一步的了解，不得不说是一本好书。言归正传，本文讨论的话题是堆内存的管理，首先让我们来了解一下进程的虚拟地址空间的组成部分(如下图)：
首先来讨论一下这个program break,手册上说brk和sbrk会改变program break的位置，program break被定义为程序data segment的结束位置。感觉program break被定义成程序data segment的结束位置理解有点模糊，下面我们就用最基本的程序来验证。
1、程序代码如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <apue.h>
int main(){
void* p = sbrk(0); //获取当前program break的当前位置(此时是heap的起始地址)
int* p1 = (int *)p; // 将当前空指针转化成int型指针
brk(p1+4); //分配了16个字节的空间
p1[0] = 10;
p1[1] = 20;
p1[2] = 30;
p1[3] = 40;
p1[4] = 50;
printf("%p\n",p1);
printf("%p\n",p1+1);
printf("%p\n",p1+2);
printf("%p\n",p1+3);
printf("%p\n",sbrk(0));//这个时候program break的值比较大，因为一次性分配了较大的空间，而不必每次都调用sbrk()来分配堆空间
while(1){
sleep(1);
}
}
首先我们将程序在后台运行(./a.out &)，得到的结果是：
然后，执行命令cat /proc/18092/maps就可以得到进程堆的地址范围，如下图：
可以看到我们进程堆的范围是09c2b000-09c4d000 rw-p 00000000 00:00 0 [heap],堆的起始地址和p1的地址一样，说明程序brk()在堆上申请空间，也就是说刚开始的时候program break和堆的起始地址是一样的。
2、我们对上面的程序进行修改，在这个基础上继续分配空间，如下：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <apue.h>
int main(){
void* p = sbrk(0); //获取当前program break的当前位置(此时是heap的起始地址)
int* p1 = (int *)p; // 将当前空指针转化成int型指针
brk(p1+4);
printf("program break is :%p\n",sbrk(0));//这个时候program break的值比较大，因为一次性分配了较大的空间，而不必每次都调用sbrk()来分配堆空间
p1[0] = 10;
printf("program break is %p\n",sbrk(0));
p1[1] = 20;
p1[2] = 30;
printf("program break is %p\n",sbrk(0));
p1[3] = 40;
p1[4] = 50;
printf("%d,%p\n",*p1,p1);
printf("%d,%p\n",*(p1+1),p1+1);
printf("%d,%p\n",*(p1+2),p1+2);
printf("%d,%p\n",*(p1+3),p1+3);
printf("program break is %p\n",sbrk(0));//这个时候program break的值比较大，因为一次性分配了较大的空间，而不必每次都调用sbrk()来分配堆空间
}
运行结果为：
那么问题来了，我们在调用brk()之后，program break的值为0x95f6010，刚好是从0x95f6000地址开始的16个字节，但当我们对空间进行赋值之后，program break的值就变成0x9618000，一下子就变大了很多，这是疑问？
3、我们继续修改程序：
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <apue.h>
int main(){
void* p = sbrk(0); //获取当前program break的当前位置(此时是heap的起始地址)
int* p1 = (int *)p; // 将当前空指针转化成int型指针
int *p2,*temp;
brk(p1+4);
printf("program break is :%p\n",sbrk(0));
p1[0] = 10;
printf("program break is :%p\n",sbrk(0));
p1[1] = 20;
p1[2] = 30;
p1[3] = 40;
p1[4] = 50;
printf("%p\n",&p1[0]);
printf("%p\n",&p1[1]);
printf("%p\n",&p1[2]);
printf("%p\n",&p1[3]);
temp=p1+4;
brk(temp+2);
temp[0]=60;
temp[1]=70;
printf("%p\n",&temp[0]);
printf("%p\n",&temp[1]);
printf("program break is :%p\n",sbrk(0));
}
输出结果为:
这个时候我们看到program break的位置本来已经在一个足够大的位置上(0x962f000),但是在追加申请空间之后又变回到0x960d018(这个偏移量刚好为24个字节，是6个int型变量的大小)，为什么program break从0x962f000回退到了0x960d018，这又是个疑问？
4、下面来看看第二个程序：
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include<unistd.h>
int main(){
void* ptr, *ptr1,*ptr2;
ptr = sbrk(0);
printf("sbrk:%p\n", ptr);
ptr1 = malloc(100);
ptr = sbrk(0);
printf("sbrk:%p, ptr1:%p\n", ptr, ptr1);
free(ptr1);
ptr2=malloc(50);
ptr = sbrk(0);
printf("sbrk:%p,ptr2:%p\n",ptr,ptr2);
}
输出结果为:
我们可以看到ptr的当前地址为0x991f000,这个地址就是堆空间的起始地址，也是program break的位置，后来我们调用malloc()在堆上分配100字节的空间，这100字节空间起始地址为0x991f410(至于为什么和0x991f000相差这么多还没搞明白)，如果是正真分配100字节，那么program break的位置应该是(0x991f410+100字节＝0x991f474),但是我们显示program break当前位置(0x9940000)的时候却比0x991f474大很多，说明系统一次性就分配了比100字节大很多的堆空间，至于为什么？我想如果每次分配几字节或几十字节的空间都调用sbrk()函数的话，系统开销太大，所以索性一次分配足够大的空间。当进程需要另外申请空间时，系统可能的工作就是在这个一次性分配足够大的剩余空间里再分配。至于为什么不从0x991f000直接开始分配，初步设想是0x991f000－0x991f410这段堆空间肯能用作记录目前堆的分配情况。