堆的范围是什么？

Question

在给定进程中堆的范围是什么？我明白这个问题可能没有简单的答案，所以我特别感兴趣以下问题的答案:

• 在AMD64 Linux下，64位进程是否有标准的堆大小/位置？
• 如果我正在实现一种语言运行时，如何找到我不能放置堆的位置(再次强调Linux/AMD64)？
• 有没有一种便携式的方法让应用程序找出它的开始和结束位置？

- brooks94

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很抱歉，这个问题目前不太适合。如果您想了解如何从操作系统中获取堆栈的更多细节，请继续提问。如果您想知道如何检查您的语言运行时如何组织堆栈，请继续提问。但是，就目前而言，这个问题还是太宽泛了。 - Jonas Schäfer

好的，我缩小了范围。 - brooks94

实际上，这对我来说看起来好多了。 - Jonas Schäfer

只是为了记录，你是否正在创建一种语言运行时？ - corazza

@brooks94，由于该问题已经开放了悬赏，您在悬赏期结束之前就接受了我的答案，这可能会导致其他成员忽略该问题并提供不同的解决方案。 - Sunil Bojanapally

Answer 1

我假设您正在尝试编写自己的堆分配器，并且从标签中可以看出您是在Linux上进行。SunEric为您提供了有用的指示，告诉您可能可以使用哪些内存，但是您可以使用的内存是操作系统给您的内存。也就是说，要将内存映射到进程空间中（以及其后面的一些物理内存），您需要调用操作系统来获得内存。malloc()在C语言中实现了“堆”，并为您抽象了这个过程。它可以通过以下两种方式获取内存：使用brk系统调用（映射到C库的brk或sbrk）或使用带有MAP_ANON的mmap（更准确地说是底层系统调用mmap2）。

brk是分配堆内存的传统方式，通常我们谈到“堆”时指的是使用这种方式分配的内存（尽管brk也可用于分配除堆之外的内存，而堆项可能存放在其他地方-请参见下文）。 这里是一个关于brk分配工作原理的很好的答案，我无法改进。内存使用的位置实际上是算术结果。当程序加载时，堆遵循BSS（未初始化数据段） - 即随着堆的扩展，BSS的值会增长，因此起始位置实际上由操作系统和动态加载器确定。因此，堆的结尾由此以及堆的大小（即您将其扩展到多大）确定。

mmap不太明确。它需要一个addr参数：

如果addr为NULL，那么内核会选择创建映射的地址；这是创建新映射最便携的方法。如果addr不为NULL，那么内核会把它作为放置映射的提示；在Linux上，映射将在附近的页面边界处创建。新映射的地址作为调用的结果返回。因此，如果您使用mmap为特定的堆项获取空间（如malloc可能为大对象特别做的），则操作系统会选择其位置，无论是否有提示。如果您使用MAP_FIXED，它将给您确切的位置或失败。从这个意义上说，您的堆（或其中的项目）可以是操作系统允许您映射内存的任何地方。您问是否有一种便携式的方法来找出堆的起始和结束位置。便携式意味着一种语言，我将假设是C语言。关于brk类型的堆，是的，有（相当便携）。man end给出了：

名称

etext，edata，end - 程序段的结尾

概要

extern etext;

extern edata;

extern end;

描述

这些符号的地址指示各种程序段的结尾：

• etext：这是文本段（程序代码）结束后的第一个地址。

• edata：这是初始化数据段结束后的第一个地址。

• end：这是未初始化数据段（也称为BSS段）结束后的第一个地址。

由于堆从BSS的末尾在加载时运行到BSS的顶部在运行时，一种方法是将加载时的end值作为堆底部的起点，将评估时的end值作为堆顶部的结束点。这样会忽略libc本身和共享库可能在调用main()之前分配的内容。因此，更保守的方法是说它是edata和end之间的区域，尽管严格来说，这可能包括不在堆上的内容。

如果您不是指C语言，则需要使用类似的技术。取“程序中断”（即内存空间的顶部）并减去您为堆分配的最低地址。

如果您想查看任意进程的堆内存分配情况：

$ cat /proc/$$/maps | fgrep heap
01fe6000-02894000 rw-p 00000000 00:00 0                                  [heap]

将$$替换为您想要检查的进程的PID。

- abligh

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我通常不太在意负评，但我正在努力弄清楚为什么这篇文章没有得到评论就被负评了。 - abligh

Answer 2

在现代的64位AMD64 CPU中，并不是所有的地址线都被启用，以便为我们提供16EB的虚拟地址空间。也许在AMD64架构中，有48个较低的位被启用，因此可获得256TB的地址空间。因此从理论上讲，架构限制接近于256TB。因此，如果您有256TB的磁盘空间可用于交换分区，那么您可以获得256TB的堆空间。但如果您在交换分区的数量和大小上受到限制，则即使可用磁盘空间较大，您的限制也会小于256TB。

在当前AMD的48位实现中，AMD64 CPU能够以规范格式（如下图所示）寻址的完整虚拟内存范围分为两半，一半范围从0到00007FFFFFFFFFFF，另一半范围从FFFF800000000000到FFFFFFFFFFFFFFFF，因此可获得总计256TB的可用虚拟地址空间。上半部分内存区域的地址空间是用于内核空间的，而下半部分是用于代码、堆、栈段的用户空间。因此，随着更多虚拟地址位的可用性，较低的半部分地址位向上增长，导致更多的虚拟空间映射到内存中。这意味着堆可增长至最大256TB。

 0xFFFFFFFFFFFFFFFF +-----------+
                    |   Kernel  |
                    |           |
 0xFFFF800000000000 +-----------+
                    |    Non    |
                    | Canonical |
                    |   range   |
 0x00007FFFFFFFFFFF +-----------+
                    |    User   |
                    |           |
                0x0 +-----------+ 

然而堆起始于代码段之上，向上生长，可以使用参数为0的sbrk查找其末尾。由于堆不连续，调用malloc()时返回的地址可以在虚拟地址空间的任何地方。

现代处理器已将其深层工作抽象化，您不必过于担心。

- Sunil Bojanapally

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"不用担心它是如何工作的"？这句话对程序员起过作用吗？ - Michael Foukarakis

@MichaelFoukarakis 看起来我认为OP需要解决他的问题，而不是调查一个广泛的问题，这取决于语言、编译器、操作系统、架构等。 - Sunil Bojanapally