brk(), sbrk() 用法詳解

brk() , sbrk() 的聲明如下：

#include <unistd.h>int brk(void *addr);void *sbrk(intptr_t increment);

這兩個函數都用來改變 "program break" (程式間斷點)的位置，這個位置可參考：

如 man 裡說的：

引用brk()  and  sbrk() change the location of the program break, which defines the end of the process's data segment (i.e., the program break is the first location after the end of the uninitialized data segment). 

brk() 和 sbrk() 改變 "program brek" 的位置，這個位置定義了進程資料區段的終止處(也就是說，program break 是在未初始化資料區段終止處後的第一個位置)。
如此翻譯過來，似乎會讓人認為這個 program break 是和中矛盾的，中的 program break 是在堆的增長方向的第一個位置處(堆和棧的增長方向是相對的)，而按照說明手冊來理解，似乎是在 bss segment 結束那裡(因為未初始化資料區段一般認為是 bss segment)。

首先說明一點，一個程式一旦編譯好後，text segment ，data segment 和 bss segment 是確定下來的，這也可以通過 objdump 觀察到。下面通過一個程式來測試這個 program break 是不是在 bss segment 結束那裡：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/time.h>#include <sys/resource.h>  int bssvar;    //聲明一個味定義的變數，它會放在 bss segment 中  int main(void){    char *pmem;    long heap_gap_bss;      printf ("end of bss section:%p\n", (long)&bssvar + 4);      pmem = (char *)malloc(32);          //從堆中分配一塊記憶體區，一般從堆的開始處擷取    if (pmem == NULL) {        perror("malloc");        exit (EXIT_FAILURE);    }      printf ("pmem:%p\n", pmem);  //計算堆的開始地址和 bss segment 結束處得空隙大小，注意每次載入程式時這個空隙都是變化的，但是在同一次載入中它不會改變    heap_gap_bss = (long)pmem - (long)&bssvar - 4;              printf ("1-gap between heap and bss:%lu\n", heap_gap_bss);      free (pmem);   //釋放記憶體，歸還給堆         sbrk(32);        //調整 program break 位置(假設現在不知道這個位置在堆頭還是堆尾)     pmem = (char *)malloc(32);   //再一次擷取記憶體區        if (pmem == NULL) {                perror("malloc");                exit (EXIT_FAILURE);        }          printf ("pmem:%p\n", pmem);   //檢查和第一次擷取的記憶體區的起始地址是否一樣    heap_gap_bss = (long)pmem - (long)&bssvar - 4;  //計算調整 program break 後的空隙    printf ("2-gap between heap and bss:%lu\n", heap_gap_bss);      free(pmem);   //釋放    return 0;}

下面，我們分別運行兩次程式，並查看其輸出：

引用[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
end of bss section:0x8049938
pmem:0x82ec008
1-gap between heap and bss:2762448
pmem:0x82ec008
2-gap between heap and bss:2762448
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
end of bss section:0x8049938
pmem:0x8dbc008
1-gap between heap and bss:14100176
pmem:0x8dbc008
2-gap between heap and bss:14100176

從上面的輸出中，可以發現幾點：
1. bss 段一旦在在程式編譯好後，它的地址就已經規定下來。
2. 一般及簡單的情況下，使用 malloc() 申請的記憶體，釋放後，仍然歸還回原處，再次申請同樣大小的記憶體區時，還是從第 1 次那裡獲得。
3. bss segment 結束處和堆的開始處的空隙大小，並不因為 sbrk() 的調整而改變，也就是說明了 program break 不是調整堆頭部。

所以，man 手冊裡所說的  “program break 是在未初始化資料區段終止處後的第一個位置” ，不能將這個位置理解為堆頭部。這時，可以猜想應該是在堆尾部，也就是堆增長方向的最前方。下面用程式進行檢驗：

當 sbrk() 中的參數為 0 時，我們可以找到 program break 的位置。那麼根據這一點，檢查一下每次在程式載入時，系統給堆的分配是不是等同大小的：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/time.h>#include <sys/resource.h>  int main(void){        void *tret;        char *pmem;           pmem = (char *)malloc(32);        if (pmem == NULL) {                perror("malloc");                exit (EXIT_FAILURE);        }          printf ("pmem:%p\n", pmem);         tret = sbrk(0);        if (tret != (void *)-1)                printf ("heap size on each load: %lu\n", (long)tret - (long)pmem);      return 0;}

運行上面的程式 3 次：

引用[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x80c9008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x9682008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x9a7d008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x8d92008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ vi sbrk.c

從輸出可以看到，雖然堆的頭部地址在每次程式載入後都不一樣，但是每次載入後，堆的大小預設分配是一致的。但是這不是不能改的，可以使用 sysctl 命令修改一下核心參數：

引用#sysctl -w kernel/randomize_va_space=0

這麼做之後，再運行 3 次這個程式看看：

引用[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x804a008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x804a008
heap size on each load: 135160
[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x804a008
heap size on each load: 135160

從輸出看到，每次載入後，堆頭部的其真實位址都一樣了。但我們不需要這麼做，每次堆都一樣，容易帶來緩衝區溢位攻擊(以前老的 linux 核心就是特定地址載入的)，所以還是需要保持 randomize_va_space 這個核心變數值為 1 。

下面就來驗證 sbrk() 改變的 program break 位置在堆的增長方向處：

#include <stdio.h>#include <unistd.h>#include <stdlib.h>#include <sys/time.h>#include <sys/resource.h>  int main(void){        void *tret;        char *pmem;        int i;        long sbrkret;        pmem = (char *)malloc(32);        if (pmem == NULL) {                perror("malloc");                exit (EXIT_FAILURE);        }          printf ("pmem:%p\n", pmem);          for (i = 0; i < 65; i++) {                sbrk(1);                printf ("%d\n", sbrk(0) - (long)pmem - 0x20ff8);   //0x20ff8 就是堆和 bss段 之間的空隙常數；改變後要用 sbrk(0) 再次擷取更新後的program break位置        }       free(pmem);                return 0;}

運行輸出：

引用[beyes@localhost C]$ ./sbrk 
pmem:0x804a008
1
2
3
4
5

... ...
61
62
63
64

從輸出看到，sbrk(1) 每次讓堆往棧的方向增加 1 個位元組的大小空間。

而 brk() 這個函數的參數是一個地址，假如你已經知道了堆的起始地址，還有堆的大小，那麼你就可以據此修改 brk() 中的地址參數已達到調整堆的目的。

實際上，在應用程式中，基本不直接使用這兩個函數，取而代之的是 malloc() 一類函數，這一類庫函數的執行效率會更高。
還需要注意一點，當使用 malloc() 分配過大的空間，比如超出 0x20ff8 這個常數(在我的系統(Fedora15)上是這樣，別的系統可能會有變)時，malloc 不再從堆中分配空間，而是使用 mmap() 這個系統調用從映射區尋找可用的記憶體空間。