メモリ管理

プログラムは、必要なメモリ量をbytebyteメモリの大きさを数える基本単位。Linuxでは1 byteは8 bit。で指定し、使える範囲の先頭を示すポインタポインタメモリ上の位置を示すアドレスを保持する値。を受け取ります。mallocmalloc必要なbyte数を指定し、利用できるメモリ領域を得るCライブラリ関数。、mmapmmapプロセスの仮想アドレス空間へ、新しい範囲を追加するシステムコール。、pagepage仮想アドレス空間と物理RAMを、一定の大きさに区切って管理する単位。は、この処理の異なる段階を指します。

char *buffer = malloc(10000);
buffer[0] = 'A';
free(buffer);

実行ファイルのcodeとdata、動的に確保するheap、共有ライブラリやmemory-mapped files、各スレッドのstackは、仮想アドレス空間内の領域として管理されます。攻撃者が配置を予測しにくくするため、Linuxは起動のたびに一部の位置を変えます。この仕組みをASLRASLRプロセスの仮想アドレス空間で、コードやデータの配置を実行ごとに変える仕組み。と呼びます。実際の配置は、CPUアーキテクチャや実行ファイルの構成によっても変わります。

mallocなどのライブラリやmmapがアドレス範囲を用意しても、その全域へすぐ物理RAMを割り当てるとは限りません。プロセスが初めてpageへアクセスするとページフォールトページフォールト現在のページテーブルだけではメモリアクセスを完了できないときにCPUが起こす例外。が起き、Linuxがアクセスの正当性とpageの準備方法を判断します。ページフォールトは、必要なpageをその時点で用意する通常の処理にも使われます。

reclaimreclaim空きRAMを増やすため、使用中のpageを回収候補から選んで解放する処理。は、page cacheの破棄や書き戻し、anonymous memoryのswapを通じて空きRAMを増やします。頻繁に参照されるpageを回収すると、直後に再読込が必要になり性能が落ちるため、回収候補の選択が必要です。

カーネルは、プロセスの情報、ファイルの情報、ネットワークパケットなど、多数の小さなオブジェクトを作ります。物理メモリのpageをそのまま一つずつ渡すと無駄が大きいため、二段階で割り当てます。

page allocatorは、空いている物理pageを1、2、4、8…pageの連続した領域として管理します。必要な大きさがなければ大きい領域を半分に分け、隣り合う同じ大きさの領域が両方とも空けば再び結合します。この管理方法をbuddy allocatorbuddy allocator空いている物理pageを、2の累乗個からなる連続領域として管理する仕組み。と呼びます。