面试题：C语言中Linux内存映射如何分配虚拟内存

Question

在Linux环境下使用C语言进行内存映射时，简述虚拟内存是如何分配的，涉及到哪些系统调用以及它们的作用是什么？

Answer 1

虚拟内存分配简述

在Linux环境下使用C语言进行内存映射时，虚拟内存分配是将进程的逻辑地址空间与物理内存进行映射的过程。操作系统为每个进程维护一个虚拟地址空间，进程使用虚拟地址进行内存访问。虚拟内存分配使得进程可以使用比实际物理内存更大的地址空间，提高了内存利用效率。

涉及的系统调用及作用

1. mmap()
   • 作用：用于创建内存映射，将一个文件或设备映射到进程的虚拟地址空间。通过mmap，进程可以像访问内存一样访问文件内容，实现高效的文件I/O操作。它可以用于共享内存，多个进程可以映射同一个文件到各自的虚拟地址空间，实现数据共享。
   • 函数原型：void *mmap(void *addr, size_t length, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
   • 参数说明：
     • addr：指定映射的起始虚拟地址，通常设为NULL，让内核自动选择合适的地址。
     • length：映射区域的长度。
     • prot：指定映射区域的保护权限，如PROT_READ（可读）、PROT_WRITE（可写）、PROT_EXEC（可执行）等。
     • flags：指定映射的类型和行为，如MAP_SHARED（共享映射，对映射区域的修改会反映到文件）、MAP_PRIVATE（私有映射，对映射区域的修改不会反映到文件）等。
     • fd：要映射的文件描述符。
     • offset：文件映射的偏移量，通常必须是系统页大小的整数倍。
2. munmap()
   • 作用：用于取消内存映射，释放由mmap创建的映射区域。在进程不再需要映射的内存区域时，应调用munmap释放资源，避免内存泄漏。
   • 函数原型：int munmap(void *addr, size_t length);
   • 参数说明：
     • addr：映射区域的起始虚拟地址，即mmap返回的地址。
     • length：映射区域的长度，与mmap调用时的长度一致。
3. mprotect()
   • 作用：用于修改已映射内存区域的保护权限。在某些情况下，进程可能需要动态改变内存区域的读写执行权限，例如在运行时加载代码并使其可执行。
   • 函数原型：int mprotect(void *addr, size_t len, int prot);
   • 参数说明：
     • addr：要修改权限的内存区域起始地址。
     • len：要修改权限的内存区域长度。
     • prot：新的保护权限，取值与mmap中的prot参数类似。