Практическая работа №3

Тема: Исследование структуры памяти процесса и виртуальной памяти в Linux

Цель работы:
Научиться анализировать структуру виртуального адресного пространства процесса, изучить основные компоненты памяти процесса, понять принципы отображения виртуальной памяти на физическую, а также познакомиться с инструментами анализа потребления памяти в Linux.

Оборудование и программное обеспечение:

• Компьютер с ОС Linux (рекомендуется Ubuntu/Debian/Fedora)
• Терминал
• Утилиты: pmap, cat /proc/<PID>/maps, vmstat, free, ps, top, lscpu
• Язык программирования C (для компиляции простого тестового приложения)

---

Часть 1: Подготовка — анализ физической и виртуальной памяти системы

Шаг 1.1: Изучение параметров памяти системы

Преподаватель демонстрирует, студенты повторяют.

# Просмотр информации о процессоре (размер страницы)
lscpu | grep "Page size"

# Просмотр объёма оперативной памяти
free -h

# Просмотр использования памяти в реальном времени
vmstat -s | grep -i memory

Вопрос для обсуждения:

Какой стандартный размер страницы памяти в x86_64 системах? (Ответ: 4 КБ)

---

Часть 2: Запуск и анализ процесса

Шаг 2.1: Создание простого C-приложения

Создайте файл mem_example.c:

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>

int global_var = 42;  // Данные в секции .data

int main() {
    int local_var = 100;             // Стек
    static int static_var = 200;     // Секция .data
    char *heap_mem = malloc(1024);   // Куча

    printf("PID процесса: %d\n", getpid());
    printf("Адрес global_var: %p\n", &global_var);
    printf("Адрес local_var: %p\n", &local_var);
    printf("Адрес static_var: %p\n", &static_var);
    printf("Адрес в куче: %p\n", heap_mem);

    printf("Ожидание... (не закрывайте)\n");
    sleep(300);  // Задержка, чтобы посмотреть память
    return 0;
}

Компиляция:

gcc mem_example.c -o mem_example

Запуск:

./mem_example

Запомните PID процесса (выводится в консоль).

---

Шаг 2.2: Анализ виртуального адресного пространства процесса

Использование /proc/<PID>/maps

# Замените <PID> на реальный PID процесса
cat /proc/<PID>/maps

Разбор вывода (преподаватель объясняет):

• Адресные диапазоны: стек, куча, код, данные, библиотеки
• Флаги: r — чтение, w — запись, x — выполнение, p — частная, s — разделяемая
• Пример:

  555555559000-55555555a000 r--p 00000000 08:01 123456 /home/user/mem_example

Задание студентам:
Найти в выводе:

• Сегмент кода (.text)
• Сегмент данных (.data)
• Кучу (heap)
• Стек (stack)
• Отображённые библиотеки (например, libc)

---

Шаг 2.3: Использование утилиты pmap

pmap <PID>

Объяснение:
Утилита показывает детализированное распределение памяти процесса: размер, типы отображений, anon (анонимная память), файлы.

Задание:
Определите:

• Общий объём памяти процесса
• Размер анонимной памяти (куча, стек)
• Какие shared-объекты загружены?

---

Часть 3: Исследование виртуальной памяти и подкачки

Шаг 3.1: Мониторинг использования памяти системой

# Текущее состояние памяти
free -h

# Статистика по страницам памяти и подкачке
vmstat 1 5

Объяснение полей:

• si — свопинг (подкачка) в память (KB/s)
• so — выгрузка в своп (KB/s)
• Если si и so > 0 — активная подкачка

Задание:
Запустите процесс, потребляющий много памяти (например, скрипт на Python, выделяющий массив), и понаблюдайте за vmstat.

---

Шаг 3.2: Анализ потребления памяти процессами

# Топ процессов по потреблению памяти
top -o %MEM

# Или через ps
ps aux --sort=-%mem | head -10

Вопрос:

Почему виртуальная память (VSZ) может быть намного больше физической (RSS)?

Ответ:

VSZ — это виртуальное адресное пространство, включая неиспользуемые страницы, отображённые файлы, своп. RSS — реально загруженные в RAM страницы.

---

Часть 4: Отображение файлов в память (mmap)

Шаг 4.1: Демонстрация mmap через /proc/maps

Создайте файл:

echo "Hello, mmap!" > testfile.txt

Запустите программу, которая использует mmap, или просто откройте файл в редакторе (например, vim testfile.txt). Затем проверьте /proc/<PID>/maps — вы увидите отображение файла в память.

Пример строки в maps:

7f8a1c000000-7f8a1c001000 r--p 00000000 08:01 123456 /home/user/testfile.txt

Объяснение:
Файл отображён в виртуальную память процесса. Чтение/запись идёт через страницы памяти, а не через системные вызовы read/write.

---

Часть 5: Заключение и вопросы

Контрольные вопросы (для самопроверки):

1. Что такое виртуальная память и зачем она нужна?
2. Как организована таблица страниц в x86_64?
3. Чем отличается RSS от VSZ?
4. Как работает отображение файлов в память (mmap)?
5. Для чего используется TLB (Translation Lookaside Buffer)?
6. Почему размер страницы обычно 4 КБ? Какие есть альтернативы (huge pages)?

---

Отчёт по работе (для студентов)

Студенты должны подготовить краткий отчёт (1–2 страницы), включающий:

1. PID исследуемого процесса.
2. Скриншот или текст вывода cat /proc/<PID>/maps.
3. Выделение и описание основных секций памяти (стек, куча, код, данные).
4. Объём RSS и VSZ процесса (из ps или top).
5. Ответы на 2 контрольных вопроса по выбору.

---

Методические рекомендации преподавателю

• Убедитесь, что все студенты могут запустить C-программу и получить PID.
• Контролируйте, чтобы студенты не закрывали процесс до завершения анализа.
• Поощряйте самостоятельный поиск: «Найдите в maps libc» или «Где находится стек?»
• Для продвинутых: можно показать /proc/<PID>/smaps — более детальную статистику по каждой области памяти.

---

Итог:
Практическая работа позволяет закрепить теорию виртуальной памяти через реальные инструменты Linux, формируя у студентов понимание того, как ядро организует память процессов, использует страничное отображение и управляет ресурсами.