将内存映射到另一个地址

Question

X86-64，Linux，Windows。

假设我想要创建某种“标记指针的免费启动”。基本上，我想要有两个指针指向同一个实际的内存块，但其位不同。（例如，我想要一个位被GC收集或用于其他原因）。

intptr_t ptr = malloc() 
intptr_t ptr2 = map(ptr | GC_FLAG_REACHABLE) //some magic call

int* p = int*(ptr);
int* p2 = int*(ptr2);
*p = 10;
*p2 = 20;
assert(*p == 20)
assert(p != p2)

- user1432038

Answer 1

在Linux上，可以将同一文件两次映射到内存中。在Windows上也是如此，但它有自己的一套函数来实现这个功能。

- Ignacio Vazquez-Abrams

Answer 2

将同一内存（在 POSIX 上使用 mmap，如 Ignacio 所提到的，在 Windows 上使用 MapViewOfFile）映射到多个虚拟地址可能会带来一些有趣的相干难题（在一个地址写入的内容是否在另一个地址读取时可见？）。或者也可能不会。我不确定所有平台的保证是什么。

更常见的做法是，简单地在指针中保留几位，并根据需要进行移位。

如果所有对象都对齐到 8 字节边界，则通常只需在指针的三个最低有效位中存储标记，并在解引用之前屏蔽它们（正如 thkala 所提到的）。如果选择更高的对齐方式，例如 16 字节或 32 字节，则可以使用 3 或 5 个最低有效位进行标记。同样，选择一些最高有效位进行标记，并在解引用之前进行移位。（有时会使用非连续的位，例如将指针打包到 IEEE-754 浮点数（2 的 23 次方值）或双精度浮点数（2 的 51 次方值）的信号 NaN 中。）

在指针的高端继续进行，当前的x86-64实现最多使用64位指针的48位（0x0000000000000000-0x00007fffffffffff + 0xffff800000000000-0xffffffffffffffff），Linux和Windows仅向用户空间分配第一个范围内的地址，留下了可以安全屏蔽的17个最高有效位。（尽管这既不可移植，也不能保证将来依然如此。）

另一种方法是停止考虑“指针”，而是直接使用较大内存数组中的索引，就像JVM使用-XX:+UseCompressedOops一样。如果您分配了一个512MB的池并存储8字节对齐的对象，则有2²⁶个可能的对象位置，因此32位值除了索引还有6位可用。解引用将需要将索引乘以对齐方式加到数组的基地址上，该基地址在其他地方保存（对于每个“指针”都是相同的）。仔细观察，这实际上是前一种技术的概括（其基址始终为0，在那里与真实指针对齐）。

- ephemient

Answer 3

从前，我曾经在一个Prolog实现上工作过，它使用以下技术来在指针中留出一些空余的位：

• 分配一个已知对齐方式的内存区域。通常情况下，malloc()会分配具有4字节或8字节对齐方式的内存。如果需要，可以使用posix_memalign()获取更高对齐大小的区域。

• 由于生成的指针按照多个字节的间隔对齐，但它表示的是字节精确的地址，因此您将拥有一些空闲的位，在内存区域指针中这些位将被定义为零。例如，4字节对齐会在指针的LSB侧给您两个空闲位。

• 您可以使用OR (|)运算符将标志与这些位相结合，从而得到一个标记指针。

• 只要在使用指针进行内存访问之前正确地屏蔽指针，您就应该完全没有问题。

- thkala