プロセスのメモリレイアウト

カバー範囲: /proc/pid/maps の読み方 → stack/heap/mmap/vDSO/vvar/vsyscall → セグメント (text/data/bss) → メモリレイアウトと ASLR → mmap のマッピングタイプ対象: Linux x86-64/ARM64 ユーザーランド

概要

Linux の各プロセスは、48ビット（または57ビット）の仮想アドレス空間を認識しています。この空間のレイアウトを理解することは、メモリ境界違反のデバッグ、core dump の解析、メモリ使用量の最適化にとって極めて重要です。/proc/pid/maps は、このレイアウトの「地図」となります。

典型的な 64-bit レイアウト

/proc/pid/maps の詳細解説

$ cat /proc/self/maps
# 形式: アドレス 権限 オフセット デバイス inode パス名

# === バイナリ (PIE) ===
55a8e3c00000-55a8e3c01000 r--p 00000000 08:02 1234567 /bin/sleep
55a8e3c01000-55a8e3c03000 r-xp 00001000 08:02 1234567 /bin/sleep  ← .text (R+X)
55a8e3c03000-55a8e3c04000 r--p 00003000 08:02 1234567 /bin/sleep  ← .rodata
55a8e3c04000-55a8e3c05000 r--p 00003000 08:02 1234567 /bin/sleep
55a8e3c05000-55a8e3c06000 rw-p 00004000 08:02 1234567 /bin/sleep  ← .data+.bss

# === ヒープ ===
55a8e4c00000-55a8e4c21000 rw-p 00000000 00:00 0       [heap]

# === 共有ライブラリ ===
7f1234000000-7f1234001000 r--p 00000000 08:02 9999 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
7f1234001000-7f123402a000 r-xp 00001000 08:02 9999 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
7f123402a000-7f1234034000 r--p 0002a000 08:02 9999 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2
7f1234035000-7f1234037000 rw-p 00034000 08:02 9999 /lib64/ld-linux-x86-64.so.2

# === スレッドスタック (匿名 mmap) ===
7f1233e00000-7f1234000000 rw-p 00000000 00:00 0       ← スレッドスタック

# === スタック ===
7ffc12345000-7ffc12366000 rw-p 00000000 00:00 0       [stack]
7ffc123de000-7ffc123e2000 r--p 00000000 00:00 0       [vvar]
7ffc123e2000-7ffc123e4000 r-xp 00000000 00:00 0       [vdso]

権限ビットの解釈

r--p: 読み取り専用, プライベート              ← .rodata, 読み取り専用セグメント
r-xp: 読み取り+実行, プライベート           ← .text
rw-p: 読み取り+書き込み, プライベート             ← .data, .bss, ヒープ, スタック
r--s: 読み取り専用, 共有               ← ほとんど使用されない
rw-s: 読み取り+書き込み, 共有              ← MAP_SHARED マッピング
---p: アクセス不可, プライベート              ← ガードページ (スタック/ヒープ用)

匿名マップ vs ファイルマップ

[heap], [stack], [vdso]:              匿名マップ (ファイル名なし, カーネルが作成)
/lib64/libc.so.6:                     ファイルマップ (ファイル名あり, ファイルからの mmap)
7f1233e00000 (名前なし):             匿名マップ (malloc, スレッドスタック)
                                        → [heap] ではない! malloc は mmap を使用

各領域の詳細

Stack: スタックの自動成長

// スタックは mmap または brk で割り当てられる (カーネル設定による)
// VM_GROWSDOWN: push 操作で現在のスタック底を超えると → ページフォルト → カーネルが自動的にスタックを拡張
//   → 拡張は RLIMIT_STACK (デフォルト 8MB) に制限される
//   → スタックトップの下方にはガードページ (---p) があり、境界違反を防ぐ

// メインスレッドスタック: [stack] に位置する
// サブスレッドスタック: pthread_create → mmap (通常 8MB, mmap 領域内に位置)

Heap: brk vs mmap

// 従来の brk/sbrk: データセグメントを拡張 (.bss の直後)
//   → ユーザーランド: brk(addr) → プログラムブレークを変更
//   → 問題: 断片化, 個別に解放できない

// malloc の現在の戦略:
//   1. 小規模割り当て (< 128KB デフォルト): brk を使用 → [heap] 領域に配置
//   2. 大規模割り当て (>= 128KB): mmap を使用 → 独立した匿名マップ
//   3. mmap しきい値: mallopt(M_MMAP_THRESHOLD) で調整可能

vDSO / vvar / vsyscall: カーネルによる注入

[vdso]:   各プロセスのアドレス空間に注入される .so
          提供: __vdso_clock_gettime, __vdso_getcpu, __vdso_time, __vdso_getrandom
          → ユーザーランドで実行, システムコール不要 → 極めて高速

[vvar]:   vDSO のデータページ (カーネル timekeeper 構造体, CPU 固有データ)
          → ユーザーランド向けに読み取り専用 (R/O)

[vsyscall]: 廃止された高速システムコールページ (x86 のみ)
            → 固定アドレス: 0xffffffffff600000 (セキュリティリスク)
            → 現在はデフォルトでエミュレート (ページフォルト → カーネルがシミュレート → 返却)

ツール

# プロセスのメモリレイアウト
cat /proc/self/maps
cat /proc/self/smaps | head -50        # 各マッピングの詳細統計 (RSS/PSS/スワップ)

# メモリマップの要約
pmap -x <pid>

# メモリ使用量の概要
cat /proc/self/status | grep Vm
# VmPeak: 歴史的な最大仮想メモリ
# VmSize: 現在の仮想メモリ
# VmRSS:  物理メモリ (Resident)
# VmData/VmStk/VmExe/VmLib: データ/スタック/コード/ライブラリ

# ASLR の設定
cat /proc/sys/kernel/randomize_va_space  # 0=オフ, 1=部分的, 2=完全 (デフォルト)

参考

カーネルドキュメント⁠: Documentation/filesystems/proc.rst (maps/smaps)
ソースコード⁠: fs/proc/task_mmu.c (/proc/pid/maps の実装), arch/x86/entry/vdso/
LWN: "The vDSO and vvar", "ASLR for 64-bit Linux"

キーワード: /proc/pid/maps, stack, heap, vDSO, vvar, ASLR, PIE, smaps, brk, mmap