[译] Ｃ程序员该知道的内存知识 (3)

这个系列太干了，自己挖的坑，含泪也要填完，觉得有趣或者有疑惑的同学欢迎多交流~

续上篇：

这是本系列的第 3 篇，预计还会有 1 篇，感兴趣的同学记得关注，以便接收推送，等不及的推荐阅读原文。

照例放图镇楼：

来源：Linux 地址空间布局 - by Gustavo Duarte

关于图片的解释参见第一篇。

开始吧。

有趣的内存映射

工具箱：

sysconf() - 在运行时获取配置信息
mmap() - 映射虚拟内存
mincore() - 判断页是否在内存中
shmat() - 共享内存操作

有些事情是内存分配器没法完成的，需要内存映射来救场。比如说，你无法选择分配的地址范围。为了这个，我们得牺牲一些舒适性 —— 接下来将和整页内存打交道了。注意，虽然一页通常是 4KB，但你不应该依赖这个“通常”，而是应该用 sysconf() 来获取的实际大小：

long page_size = sysconf(_SC_PAGESIZE); /* Slice and dice. */

备注 —— 即使系统宣称使用统一的 page size （译注：这里指 sysconf 的返回值），它在底层可能用了其他尺寸。例如 Linux 有个叫 transparent huge page （ THP ）[2]的概念，可以减少地址翻译的开销（译注：地址翻译指虚拟地址->线性地址->物理地址，细节比较多，涉及到多级页表、MMU 、TLB 等，详情可参考知乎这篇文章《虚拟地址转换》[3]）和连续内存块访问导致的 page fault （译注：本来 4KB 一次，现在 4MB 一次，少了 3 个量级）。但这里还要打个问号，尤其是当物理内存碎片化，导致连续的大块内存较少的情况。一次 page fault 的开销也会随着页面大小提高，因此对于少量随机 IO 负载的情况，huge page 的效率并不高。很不幸这对你是透明的，但 Linux 有一个专有的 mmap 选项 MAP_HUGETLB 允许你明确指定使用这个特性，因此你应该了解它的开销。

固定内存映射

举个栗子，假如你现在得为一个小可怜的进程间通信（ IPC ）建立一个固定映射（译注：两个进程都映射到相同的地址），你该如何选择映射的地址呢？这有个在 x86-32 上可能有点风险的提案，但是在 64 bit 上，大约在 TASK_SIZE 2/3 位置的地址（用户空间最高的可用地址；译注：见镇楼图右上方）大致是安全的。你可以不用固定映射，但是就别想用指向共享内存的指针了（译注：不固定起始地址的话，共享内存中同一个对象在两个不同进程的地址就不一样了，这样的指针无法在两个进程中通用）。

#define TASK_SIZE 0x800000000000
#define SHARED_BLOCK (void *)(2 * TASK_SIZE / 3)

void *shared_cats = shmat(shm_key, SHARED_BLOCK, 0);
if(shared_cats == (void *)-1) {
    perror("shmat"); /* Sad :( */
}

译注：shmat 是“shared memory attach”的缩写，表示将 shm_key 指定的共享内存映射到 SHARED_BLOCK 开始的虚拟地址上。shm_key 是由 shmget(key, size, flag) 创建的一块共享内存的标识。详细用法请 google 。

OKay，我知道，这是个几乎无法移植的例子，但是大意你应该能理解了。固定地址映射通常被认为至少是不安全的，因为它不检查那里是否已经映射了其他东西。有一个 mincore() 函数可以告诉你一个页面是否被映射了，但是在多线程环境里你可能不那么走运（译注：可能你刚检查的时候没被映射，但在你映射之前被另一个线程映射了；作者这里使用 mincore 可能不太恰当，因为它只检查页面是否在物理内存中，而一个页面可能被映射了、但是被换出到 swap ）。

然而，固定地址映射不仅在未使用的地址范围上有用，而且对已用的地址范围也有用。还记得内存分配器如何使用 mmap() 来分配大块内存吗？由于按需调页机制，我们可以实现高效的稀疏数组。假设你创建了一个稀疏数组，然后现在你打算释放掉其中一些数据占用的空间，该怎么做呢？你不能 free() 它（译注：因为不是 malloc 分配的），而 mmap () 会让这段地址空间不可用（译注：因为这段地址空间属于稀疏数组，仍可能被访问到，不能被 unmap ）。你可以调用 madvise() ，用 MADV_FREE / MADV_DONTNEED 将这些页面标记为空闲（译注：页面可被回收，但地址空间仍然可用），从性能上来讲这是最佳解决方案，因为这些页面可能不再会因触发 page fault 被载入，不过这些“建议”的语义可能根据具体的实现而变化（译注：换句话说就是虽然性能好，但可移植性不好，例如在 Linux 不同版本以及其他 Unix-like 系统这些建议的语义会有差别；关于这些建议的说明详见上一篇）。

一种可移植的做法是在这货上面覆盖映射：

void *array = mmap(NULL, length, PROT_READ|PROT_WRITE,
                   MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

/* ... 某些魔法玩脱了 ... */

/* Let's clear some pages. */
mmap(array + offset, length, MAP_FIXED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);

译注：如前文所述，开头用 mmap() 创建了一个稀疏数组 array ；第四行应该是指代前述需要清理掉其中一部分数据；第 7 行用 mmap 重新映射从 array + offset 开始、长度为 length 字节的空间，注意这行的 length 应当是需要清理的数据长度，不同于第一行的 length （整个稀疏数组的长度）。

这等价于取消旧页面的映射，并将它们重新映射到那个特殊页面（译注：指上一篇说到的全 0 页面）。这会如何影响进程的内存消耗呢——进程仍然占用同样大小的虚拟内存，但是驻留在物理内存的尺寸减少了（译注：取消旧页面映射时，对应的真实页面被 OS 回收了）。这是我们能做到的最接近 内存打洞 的办法了。

基于文件的内存映射

工具箱：

msync() - 将映射到内存的文件内容同步到文件系统
ftruncate() - 将文件截断到指定的长度
vmsplice() - 将用户页面内容写入到管道

到这里我们已经知道关于匿名内存的所有知识了，但是在 64bit 地址空间中真正让人亮瞎眼的还是基于文件的内存映射，它可以提供智能的缓存、同步和写时复制（ copy-on-write ；译注：常缩写为 COW ）。是不是太多了点？

对于大多数人来说，相比直接使用文件系统，LMDB 就像是魔法般的性能如雨点般撒落。

Baby_Food[4] on r/programming

译注：LMDB （ Lightning Memory-mapped DataBase ）是一个轻量级的、基于内存映射的 kv 数据库，由于可以直接返回指针、避免值拷贝，所以性能非常高；更多细节详见 wikipedia 。

基于文件的共享内存映射使用一个新的模式 MAP_SHARED，表示你对页面的修改会被写回到文件，从而可以和其他进程共享。具体何时同步取决于内存管理器，不过还好有个 msync() 可以强制将改动同步到底层存储。这对于数据库来说很重要，可以保证被写入数据的持久性（ durability ）。但不是谁都需要它，尤其是不需要持久化的场景下，完全不需要同步，你也不用担心丢失写入数据的可见性（译注：这里应该是指修改后立即可读取）。这多亏了页面缓存，得益于此你也可以用内存映射来实现高效的进程间通信。

/* Map the contents of a file into memory (shared). */
int fd = open(...);
void *db = mmap(NULL, file_size, PROT_READ|PROT_WRITE,
                MAP_SHARED, fd, 0);
if (db == (void *)-1) {
  /* Mapping failed */
}

/* Write to a page */
char *page = (char *)db;
strcpy(page, "bob");
/* This is going to be a durable page. */
msync(page, 4, MS_SYNC);
/* This is going to be a less durable page. */
page = page + PAGE_SIZE;
strcpy(page, "fred");
msync(page, 5, MS_ASYNC);

译注：MS_SYNC 会等待写入底层存储后才返回； MS_ASYNC 会立即返回，OS 会异步写回存储，但期间如果系统异常崩溃就会导致数据丢失。

注意，你不能映射比文件内容更长的内存，所以你无法通过这种方式增加或者减少文件的长度。不过你可以提前用 ftruncate() 来创建（或加长）一个稀疏文件（译注：稀疏文件是指，你可以创建一个很大的文件，但文件里只有少量数据；很多文件系统如 ext*、NTFS 系列都支持只存储有数据的部分）。但稀疏文件的坏处是，会让紧凑的存储更困难，因为它同时要求文件系统和 OS 都支持才行。

在 Linux 下，fallocate(FALLOC_FL_PUNCH_HOLE) 是最佳选项，但最适合移植（也最简单的）方法是创建一个空文件：

/* Resize the file. */
int fd = open(...);
ftruncate(fd, expected_length);

一个文件被内存映射，并不意味着不能再以文件来用它。这对于需要区分不同访问情况的场景很有用，比如说你可以一边把这个文件用只读模式映射到内存中，一边用标准的文件 API 来写入它。这对于有安全要求的情况很有用，因为暴露的内存映射是有写保护的，但还有些需要注意的地方。msync() 的实现没有严格定义，所以 MS_SYNC 往往就是一系列同步的写操作。呸，这样的话速度还不如用标准文件 API，异步的 pwrite() 写入，以及 fsync() 或 fdatasync() 完成同步或使缓存失效。（译注：pwrite(fd, buf, count, offset) 往 fd 的 offset 位置写入从 buf 开始的 count 个字节，适合多线程环境，不受 fd 当前 offset 的影响； fsync(fd)、fdatasync(fd) 用于将文件的改动同步写回到磁盘）

照例这有个警告——系统应当有一个统一的缓冲和缓存（ unified buffer cache ）。历史上，页面缓存（ page cache，按页缓存文件的内容）和块设备缓存（ block device cache，缓存磁盘的原始 block 数据）是两个不同的概念。这意味着同时使用标准 API 写入文件和使用内存映射读文件，二者会产生不一致，除非你在每次写入之后都使缓存失效。摊手。不过，你通常不用担心，只要你不是在跑 OpenBSD 或低于 2.4 版本的 Linux 。

写时复制（ Copy-On-Write ）

前面讲的都还是关于共享的内存映射，但其实还有另一种用法——映射文件的一份拷贝，且对它的修改不会影响原文件。注意这些页面不会立即被复制，因为这没啥意义，而是在你修改时才被复制（译注：一方面，通常来说大部分页面不会被修改，另一方面，延迟到写时才复制，可以降低 STW 导致的延时）。这不仅有助于创建新进程（译注：fork 新进程的时候只需要拷贝页表）或者加载共享库的场景，也有助于处理来自多个进程的大数据集的场景。

int fd = open(...);

/* Copy-on-write mapping */
void *db = mmap(NULL, file_size, PROT_READ|PROT_WRITE,
                    MAP_PRIVATE, fd, 0);
if (db == (void *)-1) {
  /* Mapping failed */
}

/* This page will be copied as soon as we write to it */
char *page = (char *)db;
strcpy(page, "bob");

译注：MAP_PRIVATE 这个 flag 用于创建 copy-on-write 映射，对该映射的改动不影响其他进程，也不会写回到被映射的文件。当写入该映射时，会触发 page fault，内核的中断程序会拷贝一份该页，修改页表，然后再恢复进程的运行。

零拷贝串流（ Zero-copy streaming ）

由于（被映射的）文件本质上就是一块内存，你可以将它“串流”（ stream ）到管道（也包括 socket ），用零拷贝模式（译注：“零拷贝”不是指完全不拷贝，而是避免在内核空间和用户空间之间来回拷贝，其典型实现是先 read(src, buf, len) 再 write(dest, buf, len) ）。和 splice() 不同的是，vmsplice 适用于 copy-on-write 版本的数据（译注：splice 的源数据用 fd 指定，vmsplice 的源数据用指针指定）。免责声明：这只适用于使用 Linux 的老哥！

int sock = get_client();
struct iovec iov = { .iov_base = cat_db, .iov_len = PAGE_SIZE };
int ret = vmsplice(sock, &iov, 1, 0);
if (ret != 0) {
  /* No streaming :( */
}

译注：vmsplice 第二个参数 iov 是一个指针，上例只指向一个 struct iovec，实际上它可以是一个数组，数组的长度由第三个参数标明。

译注：举几个具体的场景，例如 nginx 使用 sendfile （底层就是 splice ）来提高静态文件的性能； php 也提供了一个 readfile() 方法来实现零拷贝发送文件； kafka 将 partition 数据发送给 consumer 时也使用了零拷贝技术，consumer 数量越多，节约的开销越显著。

mmap 不顶用的场景

还有些奇葩的场景，映射文件性能会比常规实现差得多。按理来说，处理 page fault 会比简单读取文件块要慢，因为除了读取文件还需要做其他事情（译注：修改页表等）。但实际上，基于映射的文件 IO 也可能更快，因为可以避免对数据的双重甚至三重缓存（译注：可能是指文件库的缓存，例如 os 本身会有缓存，c 的 fopen/fread 还内建了缓存），并且可以在后台预读数据。但有时这也有害。一个例子是“小块随机读取大于可用内存的文件”（译注：如 2G 内存，4G 的文件，每次从随机位置读取几个字节），在这个场景下，系统预读的块大概率不会被用上，而每一次访问都会触发 page fault 。当然你也可以用 madvise() 做一定程度的优化（译注：用上 MADV_RANDOM 这个建议，告诉 OS 预读没用）。

还有 TLB 抖动（ thrashing ）的问题。将虚拟页的地址翻译到物理地址是有硬件辅助的，CPU 会缓存最近的翻译 —— 这就是 TLB （ Translation Lookaside Buffer ；译注：可译作“后备缓冲器”，CPU 中的 MMU 专用的缓存，用来加速地址翻译）。随机访问的页面数量超过缓存能力必然会导致抖动（ thrashing ）_，_因为（在缓存不顶用时）系统必须遍历页表才能完成地址翻译。对于其他场景可以考虑使用 huge page，但这里行不通，因为仅仅为了访问几个字节而读取几 MB 的数据会让性能变得更糟。

下一篇会继续翻译最后一节《 Understanding memory consumption 》，敬请关注~

以及照例再贴下之前推送的几篇文章：

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参考链接：

[1] What a C programmer should know about memory https://marek.vavrusa.com/memory/

[2] Linux - Transparent huge pages https://lwn.net/Articles/423584/

[3] 虚拟地址转换 https://zhuanlan.zhihu.com/p/65298260

[4] Reddit - What every programmer should know about solid-state drives https://www.reddit.com/r/programming/comments/2vyzer/what_every_programmer_should_know_about/comhq3s