在Linux内核中，匿名页（Anonymous Page）指的是没有与具体文件系统中的文件关联的内存页。这种内存通常用于存储动态分配的数据，如进程的堆、栈以及使用mmap创建的匿名内存区域。

设计匿名页的原因

1. 动态内存分配：许多应用程序在运行时需要动态分配内存，匿名页提供了一种简单的方式来满足这些需求，而无需在文件系统中创建相应的文件。
2. 内存保护：匿名页允许操作系统为每个进程提供独立的内存空间，保护各个进程之间的内存不被直接访问。
3. 简化I/O：对于不需要持久存储的内存，匿名页可以减少文件I/O的开销，提高内存访问的效率。

使用场景和作用

1. 进程堆和栈：大多数应用程序在运行时会使用堆和栈来存储局部变量、对象等，匿名页为这些内存提供了支持。
2. 共享内存：通过使用shmget或mmap创建的匿名共享内存区域，进程可以有效地进行进程间通信（IPC）。
3. 内存映射文件：当使用mmap映射一个文件但不希望文件内容影响内存（如执行代码或共享数据时），匿名页可以作为虚拟内存的一部分。
4. 页面替换：在内存压力大的情况下，匿名页可以被交换到磁盘，以释放内存给其他进程。

总之，匿名页在动态内存管理和进程间通信中起着重要作用，为操作系统提供了灵活且高效的内存使用方式。

这是一个使用匿名页的例子：

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

int main() {
    // 动态分配内存
    size_t size = 1024 * 1024 * 1024; // 分配1GB
    void *ptr = malloc(size);

    if (ptr == NULL) {
        perror("malloc failed");
        return 1;
    }

    // 使用分配的内存
    for (size_t i = 0; i < size; i++) {
        ((char *)ptr)[i] = 'A'; // 填充内存
    }

    // 打印前10个字节
    printf("First 10 bytes: ");
    for (size_t i = 0; i < 10; i++) {
        printf("%c ", ((char *)ptr)[i]);
    }
    printf("\n");

    // 释放内存
    free(ptr);
    return 0;
}

程序执行之前：

# cat /proc/meminfo 
MemTotal:       395115492 kB
MemFree:        374575448 kB
MemAvailable:   390520104 kB
Buffers:          574264 kB
Cached:         17450828 kB
SwapCached:            0 kB
Active:          2003164 kB
Inactive:       16358148 kB
Active(anon):      13036 kB
Inactive(anon):   365072 kB
Active(file):    1990128 kB
Inactive(file): 15993076 kB
Unevictable:       11188 kB
Mlocked:           11188 kB
SwapTotal:             0 kB
SwapFree:              0 kB
Dirty:                92 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        309404 kB

程序执行中：

# cat /proc/meminfo 
MemTotal:       395115492 kB
MemFree:        373975116 kB
MemAvailable:   389919816 kB
Buffers:          574300 kB
Cached:         17450832 kB
SwapCached:            0 kB
Active:          2003208 kB
Inactive:       16960956 kB
Active(anon):      13040 kB
Inactive(anon):   967876 kB
Active(file):    1990168 kB
Inactive(file): 15993080 kB
Unevictable:       11188 kB
Mlocked:           11188 kB
SwapTotal:             0 kB
SwapFree:              0 kB
Dirty:                12 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        923592 kB

通过比较这两份/proc/meminfo的输出，我们可以看到内存使用情况的变化，特别是关于匿名页（Active(anon)、Inactive(anon)和AnonPages）的部分。

总体内存信息

• MemTotal: 总内存量未变化，依然是395115492 kB。
• MemFree: 从374575448 kB减少到373975116 kB，表示空闲内存减少。
• MemAvailable: 从390520104 kB减少到389919816 kB，表示可用内存也减少。
• Buffers 和 Cached: 这两项变化不大，表明文件系统缓存和缓冲区的使用相对稳定。

具体变化分析

1. Active(anon):
   • 从13036 kB增加到13040 kB，表示活跃的匿名页略有增加。这通常是由于有新的匿名内存被分配并被使用。
2. Inactive(anon):
   • 从365072 kB增加到967876 kB，表示闲置的匿名页显著增加。这意味着之前有一些匿名页不再被活动进程使用，因此变得不活跃。这可能是因为某些进程释放了动态分配的内存，或者某些进程终止后其内存被标记为不活跃。
3. AnonPages:
   • 从309404 kB增加到923592 kB，表示匿名页的总量显著增加。这表明系统在这段时间内分配了大量新的匿名内存。从这里我们可以得知，匿名内存增加了600MB，这与我们实际分配的1GB有区别。

总结

• 整体内存使用中，虽然空闲和可用内存有所减少，但活跃的匿名页变化不大。
• 但有相当数量的匿名页变为不活跃，并且AnonPages的数量大幅增加，这表明有新的匿名内存分配（如通过malloc、mmap等动态分配方式）。
• 这可能是因为某些应用程序在这段时间内增加了内存使用（如加载新的数据或对象），或者一些进程使用了新的动态内存。

总体来看，这些变化反映了系统在处理内存请求和动态内存分配时的状态，尤其是与匿名页相关的内存动态变化。

这是一个不使用匿名页的例子：

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <fcntl.h>
#include <sys/mman.h>
#include <unistd.h>

int main() {
    const char *filename = "example.txt";
    
    // 打开文件
    int fd = open(filename, O_RDONLY);
    if (fd == -1) {
        perror("open failed");
        return 1;
    }

    // 获取文件大小
    off_t filesize = lseek(fd, 0, SEEK_END);
    lseek(fd, 0, SEEK_SET); // 重置文件指针

    // 映射文件到内存
    char *mapped = mmap(NULL, filesize, PROT_READ, MAP_PRIVATE, fd, 0);
    if (mapped == MAP_FAILED) {
        perror("mmap failed");
        close(fd);
        return 1;
    }

    // 使用映射的内容
    printf("File contents:\n");
    write(STDOUT_FILENO, mapped, filesize); // 输出文件内容

    // 解除映射
    if (munmap(mapped, filesize) == -1) {
        perror("munmap failed");
    }

    // 关闭文件
    close(fd);
    return 0;
}

程序执行前：

# cat /proc/meminfo 
MemTotal:       395115492 kB
MemFree:        374571060 kB
MemAvailable:   390518552 kB
Buffers:          576640 kB
Cached:         17451112 kB
SwapCached:            0 kB
Active:          2011892 kB
Inactive:       16351760 kB
Active(anon):      19356 kB
Inactive(anon):   358420 kB
Active(file):    1992536 kB
Inactive(file): 15993340 kB
Unevictable:       11188 kB
Mlocked:           11188 kB
SwapTotal:             0 kB
SwapFree:              0 kB
Dirty:                84 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        301836 kB

程序执行中：

# cat /proc/meminfo 
MemTotal:       395115492 kB
MemFree:        374571084 kB
MemAvailable:   390518584 kB
Buffers:          576648 kB
Cached:         17451112 kB
SwapCached:            0 kB
Active:          2011904 kB
Inactive:       16352272 kB
Active(anon):      19360 kB
Inactive(anon):   358932 kB
Active(file):    1992544 kB
Inactive(file): 15993340 kB
Unevictable:       11188 kB
Mlocked:           11188 kB
SwapTotal:             0 kB
SwapFree:              0 kB
Dirty:                92 kB
Writeback:             0 kB
AnonPages:        302380 kB

可以看到程序执行前和执行中的匿名内存几乎没有变化。