内存分区为什么是现在这种结构？文件映射段究竟在哪里？

Question

我们都知道内存分区和它们的结构，但是有兄弟知道，为什么针对内存的分区布局是现在这样吗？
比如：栈区高地址向低地址偏移，堆区和栈区挨着然后低地址向高地址偏移
我当前的理解停留在：栈区的话是为了有一个固定的开始，不从低地址开始是因为一般认为低地址无效（保留段），
堆区的话是为了便于随机访问（地址加法就是加法，减法就是减法）同时充分利用内存空间？
现在还是想不通文件映射段究竟在哪里，大空间malloc调用mmap系统调用时这块内存算是堆内存吗？
有没有什么官方点的答案呢？

Answer 1

引自免费微信小程序：皆我百晓生

理解内存分区的关键在于了解操作系统如何管理内存以及程序运行的需求。现代操作系统的内存管理通常分为多个区域，包括栈、堆、数据段、代码段以及文件映射段等。这些区域的布局和功能设计主要是为了优化性能、提高安全性，并方便程序员编写和维护代码。

1. 栈区（Stack）

   • 位置：通常位于较高的内存地址，因为当函数调用时，新创建的栈帧会被压入栈顶，因此栈的生长方向是从高地址向低地址扩展。
   • 作用：存储局部变量、函数参数、返回地址等。栈空间是自动分配和释放的，当函数执行完毕后，其对应的栈帧会被弹出，所占用的空间被回收。

2. 堆区（Heap）

   • 位置：紧接在栈区之后，从低地址向高地址增长。堆区的大小可动态调整，由程序员手动申请和释放。
   • 作用：用于动态分配的大块内存，如通过malloc和calloc等函数分配的内存。堆区提供了灵活的内存分配方式，但访问效率相对较低，因为需要进行内存碎片处理和查找空闲块。

3. 数据段（Data Segment）

   • 位置：通常位于堆区之后，包含全局变量和静态变量的存储空间。
   • 作用：这些变量在整个程序运行期间都存在，且可以跨函数共享。

4. 代码段（Text Segment）

   • 位置：通常位于数据段之后，存放程序的机器码。
   • 作用：保证代码的唯一性和不可修改性，防止程序之间的干扰。

5. 文件映射段（Mapped File Region）

   • 位置：文件映射并非固定在某个特定的内存区域，而是在需要时动态地将磁盘上的文件内容映射到进程的虚拟地址空间中。
   • 作用：通过mmap系统调用，应用程序可以直接访问磁盘文件，就像访问内存一样。这种方式减少了I/O操作，提高了读写文件的性能。文件映射区域并不属于栈、堆或数据段中的任何一种，它是一个独立的概念，可以根据需求映射到任意可用的虚拟地址上。

关于malloc和mmap：

• malloc通常会从堆区分配内存，但如果堆区空间不足，可能会请求操作系统扩大堆的大小。
• mmap则用于将磁盘文件映射到进程的虚拟地址空间，这不一定会增加堆的大小，而是开辟了一个新的文件映射区域，这个区域与堆、栈等是分开的。

总结来说，内存分区的设计考虑了内存的高效利用、安全性和灵活性。文件映射段并不是一个具体的物理内存区域，而是通过虚拟内存机制将磁盘文件的部分或全部内容映射到进程的地址空间中，这样就可以像访问普通内存一样操作文件内容。