第 50 章虚拟内存操作 (Virtual Memory Operations)

核心结论

mprotect()：改变虚拟内存区域保护位（PROT_NONE/READ/WRITE/EXEC）——页粒度；addr 必须页对齐；length 向上取整；违反保护 → SIGSEGV。
mlock / mlockall 锁页：把虚拟页锁在物理内存里，永不被换出——用于 (1) 实时性需求（避免 page fault 抖动）；(2) 安全（敏感数据永不落盘）。
RLIMIT_MEMLOCK 资源限制：每进程可锁字节数；2.6.9+ 非特权可锁（≤ soft limit，默认 8 页 = 32 KB）；特权进程不限；shmctl SHM_LOCK 按 user ID 累计。
munlock / 自动解除：munlock(addr, len)；自动解除场景——进程终止、munmap、MAP_FIXED 覆盖；锁不跨 fork 继承、不跨 exec 保留。
mlockall(MCL_CURRENT|MCL_FUTURE)：MCL_CURRENT 锁当前所有页；MCL_FUTURE 锁未来映射（含后续 mmap/sbrk/malloc/stack 增长）。
mincore()：查询 [addr, addr+len) 范围内每页是否驻留在 RAM——返回字节数组，每字节最低位 = 1 表示驻留；addr 必须页对齐；SUSv3 未规定。
madvise()：建议内核的访问模式（MADV_NORMAL/RANDOM/SEQUENTIAL/WILLNEED/DONTNEED）；可移植版本是 posix_madvise()（POSIX_* 前缀）。
MADV_DONTNEED 语义：Linux 对 MAP_PRIVATE 是「销毁页内容」（下次访问 page fault 重置）；SUSv3 posix_madvise 不影响语义；可移植代码不要依赖破坏性语义。

本章主旨

本章不直接关于 IPC——但常与 mmap/SysV shm/POSIX shm 配合使用。四大操作：(1) mprotect 改保护（典型场景：把 PROT_NONE 的 guard page 改成可读写）；(2) mlock 锁页（实时性/安全）；(3) mincore 查驻留（程序感知内存压力）；(4) madvise 优化预读（数据库/科学计算）。锁页的关键约束是 RLIMIT_MEMLOCK；madvise 的关键是「Linux 的 MADV_DONTNEED 是破坏性的」——可移植程序应只调 POSIX 版本。

一、核心概念

本章围绕 6 个核心概念展开：mprotect、mlock/mlockall、RLIMIT_MEMLOCK、mincore、madvise 与锁的语义细节。

概念定义 + 重要性实现提示

概念	定义 + 重要性	实现提示
mprotect 改保护位	`mprotect(addr, len, prot)` 改变虚拟页保护位；prot ∈ {NONE, READ, WRITE, EXEC}；addr 页对齐；违反 → SIGSEGV	§50.1；典型场景：把 PROT_NONE 的匿名映射改成 PROT_READ
PROT_WRITE；用于 JIT 代码生成（先 PROT_WRITE 写，再 mprotect PROT_EXEC）	mlock/mlockall 锁页	`mlock(addr, len)` / `munlock(addr, len)` 锁/解一段；`mlockall(flags)` 锁全部（MCL_CURRENT / MCL_FUTURE）；锁住的页永不换出
§50.2；用 `munlockall()` 解锁全部；mlock 调用前会先 fault 进内存，mlockall(MCL_FUTURE) 后续分配可能因 RLIMIT_MEMLOCK 失败	RLIMIT_MEMLOCK 资源限制	软限制（默认 8 页 = 32 KB）—非特权进程可锁字节上限；特权（CAP_IPC_LOCK）无限；shmctl SHM_LOCK 按 user ID 累计
§50.2；用 `setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, …)` 调整；`/proc/PID/status` 的 VmLck 查看当前锁定量（不含 SHM_LOCK）	mincore 查驻留	`mincore(addr, len, vec)` 返回每页是否驻留 RAM；vec 是字节数组，最低位置 1 = 驻留；addr 页对齐
§50.3；SUSv3 未规定；2.6.21 前对 MAP_PRIVATE/nonlinear 不准；唯一保证驻留的页是 mlock 锁住的	madvise 访问模式建议	`madvise(addr, len, advice)` 告知内核访问模式；advice = NORMAL/RANDOM/SEQUENTIAL/WILLNEED/DONTNEED
§50.4；可移植版本 `posix_madvise()` 用 POSIX_ 前缀；glibc ≥2.7 的 POSIX_MADV_DONTNEED 不破坏页	锁的语义细节	不跨 fork 继承；不跨 exec 保留；不嵌套（同一页多次 mlock 一次 unlock 就全解）；共享页只要有一个进程锁住就保留；MAP_FIXED 覆盖自动解锁

mprotect 改保护位

mprotect(addr, len, prot) 改变虚拟页保护位；prot ∈ {NONE, READ, WRITE, EXEC}；addr 页对齐；违反 → SIGSEGV

§50.1；典型场景：把 PROT_NONE 的匿名映射改成 PROT_READ

PROT_WRITE；用于 JIT 代码生成（先 PROT_WRITE 写，再 mprotect PROT_EXEC）

mlock/mlockall 锁页

mlock(addr, len) / munlock(addr, len) 锁/解一段；mlockall(flags) 锁全部（MCL_CURRENT / MCL_FUTURE）；锁住的页永不换出

§50.2；用 munlockall() 解锁全部；mlock 调用前会先 fault 进内存，mlockall(MCL_FUTURE) 后续分配可能因 RLIMIT_MEMLOCK 失败

RLIMIT_MEMLOCK 资源限制

软限制（默认 8 页 = 32 KB）—非特权进程可锁字节上限；特权（CAP_IPC_LOCK）无限；shmctl SHM_LOCK 按 user ID 累计

§50.2；用 setrlimit(RLIMIT_MEMLOCK, …) 调整；/proc/PID/status 的 VmLck 查看当前锁定量（不含 SHM_LOCK）

mincore 查驻留

mincore(addr, len, vec) 返回每页是否驻留 RAM；vec 是字节数组，最低位置 1 = 驻留；addr 页对齐

§50.3；SUSv3 未规定；2.6.21 前对 MAP_PRIVATE/nonlinear 不准；唯一保证驻留的页是 mlock 锁住的

madvise 访问模式建议

madvise(addr, len, advice) 告知内核访问模式；advice = NORMAL/RANDOM/SEQUENTIAL/WILLNEED/DONTNEED

§50.4；可移植版本 posix_madvise() 用 POSIX_ 前缀；glibc ≥2.7 的 POSIX_MADV_DONTNEED 不破坏页

锁的语义细节

不跨 fork 继承；不跨 exec 保留；不嵌套（同一页多次 mlock 一次 unlock 就全解）；共享页只要有一个进程锁住就保留；MAP_FIXED 覆盖自动解锁

二、详细笔记

50.1 mprotect 改变保护位

What：mprotect(addr, length, prot) 改变 [addr, addr+length) 范围的保护位。

Why：典型场景——(1) 把 PROT_NONE guard page 改成 PROT_READ|PROT_WRITE；(2) JIT 代码生成（mmap PROT_READ|PROT_WRITE 写代码 → mprotect PROT_READ|PROT_EXEC 执行）。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 50 章
#include <sys/mman.h>
int mprotect(void *addr, size_t length, int prot);

/* 典型用法：创建 PROT_NONE 映射 → mprotect 改成可读写 */
addr = mmap(NULL, LEN, PROT_NONE, MAP_SHARED|MAP_ANONYMOUS, -1, 0);
if (addr == MAP_FAILED) errExit("mmap");
/* 此时 /proc/self/maps 显示 ---s */
mprotect(addr, LEN, PROT_READ|PROT_WRITE);
/* 现在 /proc/self/maps 显示 rw-s */

addr 必须页对齐；length 向上取整到页；prot 含义同 mmap（NONE/READ/WRITE/EXEC）。

When：(1) 创建 PROT_NONE guard page 防止越界访问；(2) JIT 编译器生成代码段；(3) 用户态实现 stack probing；(4) mprotect 后用 msync(MS_INVALIDATE) 让其他 mmap 同一文件的进程看到新保护。

Example：第 50 章 t_mprotect.c 创建 1 MB PROT_NONE 映射，cat /proc/PID/maps 看到 ---s，mprotect 后变 rw-s。

50.2 mlock/mlockall 内存锁

What：mlock(addr, len) 锁住一段虚拟页；mlockall(flags) 锁住全部；对应 munlock / munlockall。

Why：(1) 实时性——避免 page fault 抖动；(2) 安全——敏感数据永不落 swap（gpg 用 mlock 锁 passphrase）。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 50 章
#include <sys/mman.h>
int mlock(const void *addr, size_t length);
int munlock(const void *addr, size_t length);
int mlockall(int flags);
int munlockall(void);

#define MCL_CURRENT  1   /* 锁当前所有映射 */
#define MCL_FUTURE   2   /* 锁未来映射 */

/* 锁一段；mlock 调用前会 fault 进物理内存 */
mlock(addr, len);

/* 锁全部（含未来） */
mlockall(MCL_CURRENT | MCL_FUTURE);

When：(1) 实时程序（音视频、工业控制）；(2) 持有密码学密钥的进程；(3) 数据库关键缓冲。

Example：第 50 章 memlock.c 用 mlock 按命令行间隔锁部分页，调 displayMincore 显示驻留位图——锁住的页用 * 表示。

50.3 RLIMIT_MEMLOCK 资源限制

What：RLIMIT_MEMLOCK 限制进程可锁字节数；软限制默认 8 页（x86-32 = 32 KB）。

Why：防止普通用户锁大量内存挤垮系统；特权进程无限制。

How：

内核版本	非特权 mlock	特权 mlock
< 2.6.9	ENOMEM（不允许）	受 RLIMIT_MEMLOCK 软限制
≥ 2.6.9	受 RLIMIT_MEMLOCK 软限制（默认 32 KB）	无限制（CAP_IPC_LOCK）

内核版本

非特权 mlock

特权 mlock

< 2.6.9

ENOMEM（不允许）

受 RLIMIT_MEMLOCK 软限制

≥ 2.6.9

受 RLIMIT_MEMLOCK 软限制（默认 32 KB）

无限制（CAP_IPC_LOCK）

按字节向下取整到页；shmctl SHM_LOCK 另算——按 real user ID 累计所有锁住的 SysV shm 段。

When：(1) setrlimit 提高 RLIMIT_MEMLOCK；(2) 程序启动检查当前 limit；(3) mlock 失败时优雅降级（用 mlockall(MCL_FUTURE) 主动放弃）；(4) /proc/PID/status 的 VmLck 字段查看当前锁定量（注意：不包含 SHM_LOCK）。

Example：ulimit -l 64 设为 64 KB；root 无限制；普通用户 mlock 超过 64 KB 报 ENOMEM。

50.4 mincore 查驻留

What：mincore(addr, length, vec) 报告 [addr, addr+length) 范围内每页是否驻留 RAM。

Why：程序感知内存压力——决定是否 prefetch、是否换更紧凑的数据结构。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 50 章
#define _BSD_SOURCE
#include <sys/mman.h>
int mincore(void *addr, size_t length, unsigned char *vec);
/* vec 长度 = (length + PAGE_SIZE - 1) / PAGE_SIZE */
/* 每字节最低位 = 1 表示该页驻留；高位未定义 */

unsigned char vec[N];
mincore(addr, len, vec);
for (size_t i = 0; i < N; i++)
    if (vec[i] & 1) printf("page %zu resident\n", i);

addr 必须页对齐；length 向上取整到页；2.6.21 前对 MAP_PRIVATE/nonlinear 不准。

When：(1) 数据库判断 working set；(2) 垃圾收集器决定是否 swap；(3) NUMA-aware 程序感知节点内存压力；(4) 唯一保证驻留的页是 mlock 锁住的。

Example：第 50 章 memlock.c 的 displayMincore 用 * 与 . 字符画驻留位图。

50.5 madvise 访问模式建议

What：madvise(addr, length, advice) 告知内核访问模式——内核可优化 I/O 策略。

Why：预读 (readahead)、drop-behind、丢弃冷页——影响磁盘 I/O 与内存占用。

How：

// 摘自《The Linux Programming Interface》 第 50 章
#define _BSD_SOURCE
#include <sys/mman.h>
int madvise(void *addr, size_t length, int advice);

/* advice 取值 */
MADV_NORMAL       /* 默认：cluster 传输 + 轻度预读 */
MADV_RANDOM       /* 随机访问——关预读 */
MADV_SEQUENTIAL   /* 顺序访问——激进预读 + 访问后丢页 */
MADV_WILLNEED     /* 立即预读（类似 readahead） */
MADV_DONTNEED     /* Linux 对 MAP_PRIVATE：销毁页内容；下次 page fault 重置 */

/* 可移植版本（POSIX） */
#define _POSIX_C_SOURCE 200809L
int posix_madvise(void *addr, size_t length, int advice);
/* POSIX_MADV_NORMAL/RANDOM/SEQUENTIAL/WILLNEED/DONTNEED */

When：(1) 数据库扫描大量数据 → MADV_SEQUENTIAL；(2) B-tree 节点 → MADV_RANDOM；(3) 大文件即将访问 → MADV_WILLNEED；(4) 大临时缓冲释放内存 → MADV_DONTNEED（注意 Linux 的破坏性语义）。

Example：mmap 一个 1 GB 文件后 madvise(addr, len, MADV_SEQUENTIAL)——内核预读 2× readahead window；之后改 MADV_RANDOM 关闭预读。

50.6 内存锁的语义细节

What：mlock/mlockall 创建的锁有特定的继承、生命周期与粒度语义。

Why：避免误用——比如「同一个页内多个数据结构独立锁」是不可能的。

How：

场景	行为
fork	子进程不继承内存锁——子进程需自己 mlock
exec	内存锁不保留——exec 后所有锁消失
锁嵌套	同一范围多次 mlock = 单次锁；一次 munlock 全解
共享页	多个进程共享的页只要有任一进程锁住就保留
覆盖	MAP_FIXED 覆盖的页自动解锁
自动解除	进程终止 / munmap / MAP_FIXED 覆盖

场景

行为

fork

子进程 不继承 内存锁——子进程需自己 mlock

exec

内存锁 不保留——exec 后所有锁消失

锁嵌套

同一范围多次 mlock = 单次锁；一次 munlock 全解

共享页

多个进程共享的页只要有任一进程锁住就保留

覆盖

MAP_FIXED 覆盖的页自动解锁

自动解除

进程终止 / munmap / MAP_FIXED 覆盖

SHM_LOCK 语义不同——(1) 按段（不是按进程）；(2) 段 fault-in 时才锁（mlock 调用前全部 fault-in）；(3) VmLck 不包含 SHM_LOCK。

When：(1) fork 后子进程需 mlock 自己；(2) exec 后需重新 mlock；(3) 多进程共享 shm 段只需一个进程 SHM_LOCK（且段 detach 后仍驻留）。

Example：第 50 章 t_mprotect.c mmap 后调两次 mlock 同一范围，munlock 一次即全解——验证「锁不嵌套」。

三、关键图表

非可视化条目（系统调用 / 限制）

系统调用 / 限制描述 / 用途

mprotect(addr, len, prot)

改保护位；addr 页对齐；违反保护 → SIGSEGV

mlock(addr, len) / munlock()

锁/解一段页；mlock 调用前先 fault-in

`mlockall(MCL_CURRENT

MCL_FUTURE)`

锁当前/未来页；MCL_FUTURE 后续分配可能因 RLIMIT_MEMLOCK 失败

munlockall()

解锁全部；同时撤销 MCL_FUTURE

mincore(addr, len, vec)

查驻留；vec 字节数组，最低位置 1 = 驻留

madvise(addr, len, advice)

访问模式建议；Linux MADV_DONTNEED 对 MAP_PRIVATE 破坏性

posix_madvise()

POSIX 版；用 POSIX_* 前缀；glibc ≥2.7 的 POSIX_MADV_DONTNEED 不破坏页

RLIMIT_MEMLOCK

软限制（默认 32 KB）；特权无限；shmctl SHM_LOCK 按 user ID 累计

/proc/PID/status 的 VmLck

当前 mlock 锁定字节数（不含 SHM_LOCK）

MADV_NORMAL/RANDOM/SEQUENTIAL/WILLNEED/DONTNEED

五种 advice

锁不嵌套

同一范围多次 mlock 一次 unlock 全解

锁不跨 fork/exec

子进程需重新 mlock；exec 后全部消失

共享页

四、思维导图

mindmap
  root((第 50 章 虚拟内存操作))
    mprotect 改保护
      PROT NONE READ WRITE EXEC
      addr 页对齐
      guard page
      JIT 代码生成
      SIGSEGV 违反
    mlock mlockall
      单段锁 mlock
      全部锁 mlockall
      MCL CURRENT FUTURE
      实时性 安全
      munlock 自动解除
    RLIMIT_MEMLOCK
      软限制 32KB 默认
      特权无限
      2.6.9 非特权可用
      shmctl SHMLOCK
      setrlimit 调整
    mincore 查驻留
      vec 字节数组
      最低位 1 驻留
      SUSv3 未规定
      唯一保证 mlock
    madvise posix_madvise
      NORMAL RANDOM
      SEQUENTIAL 激进预读
      WILLNEED 预读
      DONTNEED Linux 破坏
      POSIX_ 前缀可移植
    锁的语义
      不继承 fork
      不保留 exec
      不嵌套
      共享页任一锁住
      MAP_FIXED 覆盖解锁

五、重点与易错点

mprotect 与 mmap prot 含义一致——PROT_NONE/READ/WRITE/EXEC 标志同 mmap；违反 → SIGSEGV；addr 页对齐。
mlock 调用前 fault-in——mlock(addr, len) 会把 [addr, addr+len) 全部页 fault 进物理内存；mlockall(MCL_CURRENT) 同理；mlockall(MCL_FUTURE) 只对未来生效。
RLIMIT_MEMLOCK 默认 32 KB——非特权进程默认只能锁 8 页（x86-32）；root（CAP_IPC_LOCK）无限；用 setrlimit 或 ulimit -l 调整。
Linux 2.6.9 前后语义不同——之前非特权不能 mlock；之后非特权可锁但受 RLIMIT_MEMLOCK 软限制。
锁不嵌套——同一范围多次 mlock 等价一次；一次 munlock 全解；同一虚拟页内不同数据结构不能独立锁。
锁不跨 fork 继承——子进程需自己 mlock；锁不跨 exec 保留。
共享页任一锁住就保留——MAP_SHARED 多进程映射同一文件，只要一个进程 mlock，所有进程都享受驻留。
mlock vs SHM_LOCK 语义——mlock 按进程 fault-in 全页；SHM_LOCK 按段 lazy fault；SHM_LOCK 不计入 VmLck；SHM_LOCK 段 detach 后仍驻留。
mincore 返回是快照——返回后页可能被换出；唯一保证驻留的页是 mlock 锁住的；addr 页对齐；2.6.21 前对 MAP_PRIVATE 不准。
mincore vec 是 unsigned char——Linux 是 unsigned char*；某些 UNIX 是 char*；每字节最低位置 1 = 驻留；高位未定义。
madvise 与 posix_madvise 的 DONTNEED——Linux madvise MADV_DONTNEED 对 MAP_PRIVATE 破坏性（下次访问 page fault 重置）；POSIX_MADV_DONTNEED（glibc ≥2.7）什么也不做；可移植代码用 POSIX 版本。
MADV_SEQUENTIAL = 激进预读 + 快速丢页——适合一次顺序扫描（grep-like）；不适合随机访问。
madvise 是 hint，不是指令——内核可忽略；性能影响视 workload 而异。
JIT 代码生成三步走——mmap(PROT_READ|PROT_WRITE) 写代码 → mprotect(PROT_READ|PROT_EXEC) 执行；现代 Linux 还需 arch_prctl(ARCH_PROTECT_PAX) 或 seccomp 配合。
跨章衔接：第 48 章「SysV 共享内存」用 shmctl SHM_LOCK 锁段；第 49 章「内存映射」用 mmap MAP_LOCKED 创建时锁；本章 mlcok 是后续锁；第 54 章「POSIX 共享内存」同样可 mlock。

第 50 章 虚拟内存操作 (Virtual Memory Operations)

核心结论

一、核心概念

二、详细笔记

50.1 mprotect 改变保护位

50.2 mlock/mlockall 内存锁

50.3 RLIMIT_MEMLOCK 资源限制

50.4 mincore 查驻留

50.5 madvise 访问模式建议

50.6 内存锁的语义细节

三、关键图表

四、思维导图

五、重点与易错点

第 50 章虚拟内存操作 (Virtual Memory Operations)