Linux进程的虚拟内存

简介

用户进程的虚拟地址空间是Linux的一个重要的抽象：它为每个运行进程提供了同样的系统视图，这使得多个进程可以同时运行，而不会干扰到其他进程内存中的内容。
每个应用程序都有自己的线性地址空间，与所有其他应用程序隔开。

进程的虚拟地址空间

各进程虚拟地址空间起始于0，延伸到TASK_SIEZE-1，其上是内核地址空间。
用户程序只能访问整个地址空间的下半部分，不能访问内核部分。如果没有预先达成“协议”，用户进程也不可能操作另外一个进程的地址空间，因为后者的地址空间对前者不可见。

虚拟地址空间由许多不同的段组成，用于不同的目的。

进程地址空间布局

系统中的各个进程都具有一个struct mm_struct的实例，它可以通过 task_struct 访问。这个实例保存了进程的内存管理信息。
<mm_types.h>

struct mm_struct {
    ...
    unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
    unsigned long addr, unsigned long len,
    unsigned long pgoff, unsigned long flags);
    ...
    unsigned long mmap_base; /* mmap区域的基地址 */
    unsigned long task_size; /* 进程虚拟内存空间的长度 */
    ...
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;
    ...
}

可执行代码占用的虚拟地址空间，开始和接收分别通过start_code和end_code标记。
初始化数据区域用start_data 和 end_data 标记。
堆的起始地址保存在start_brk， brk表示堆区域当前的结束区域。堆的起始地址在进程生命周期中是不变的，但是堆长度会发生改变，因而brk的值也会变。
参数列表位置arg_start和arg_end, 环境变量 env_start 和 env_end 描述。
mmap_base 表示虚拟地址空间中用于内存映射的起始地址。
task_size 存储了对于进程的地址空间长度。该值通常是TASK_SIZE。

用于内存映射的区域起始于mm_struct->mmap_base，通常设置为TASK_UNMAPPED_BASE。

使用load_elf_binary 载入一个ELF二进制文件时，将创建进程的地址空间。

内存映射的原理

由于所有用户进程中的虚拟地址空间比可用的物理地址内存大得多，因此只有最常用的部分才与物理内存帧关联。

内核必须提供数据结构，以建立虚拟地址空间的区域和相关数据所在位置之间的关联。
内核利用 address_space 数据结构，提供一组方法从后备存储器读取数据。例如，从文件系统读取。因此address_space形成了一个辅助层，将映射的数据表示为连续的线性区域，提供给内存管理子系统。

按需分配和填充页称之为按需调页法（demand paging）。一般步骤：

1. 进程试图访问用户地址空间中的一个内存地址，但使用页表无法确定物理地址（物理内存中
   没有关联页）。
2. 处理器接下来触发一个缺页异常，发送到内核。
3. 内核会检查负责缺页区域的进程地址空间数据结构，找到适当的后备存储器，或者确认该访
   问实际上是不正确的。
4. 分配物理内存页，并从后备存储器读取所需数据填充。
5. 借助于页表将物理内存页并入到用户进程的地址空间，应用程序恢复执行

数据结构

前面我们知道，struct mm_struct 很重要，该结构提供了进程在内存布局的所有必要信息。另外，它还包括下列成员，用于管理用户进程在虚拟地址空间中的所有内存区域。
<mm_types.h>

struct mm_struct {
    struct vm_area_struct *mmap;   /* 虚拟内存区域列表 ，表示虚拟内存*/
    struct rb_root mm_rb;
    struct vm_area_struct *mmap_cache; /* 上一次find_vma的结果 */
    ...
}

每个区域都通过一个 vm_area_struct 实例描述，进程的各区域按两种方法排序。
(1) 在一个单链表上（开始于 mm_struct->mmap ）。
(2) 在一个红黑树中，根结点位于 mm_rb
红黑树用于扫描特定节点很高效。通过红黑树管理，就可以加快扫描速度。
增加新区域时，内核首先搜索红黑树，找到刚好在新区域之前的区域。因此，内核可以向树和线性表增加新的区域，而无需扫描链表。

地址空间

文件的内存映射可以认为是两个不同的地址空间之间的映射，用来简化系统的工作。一个地址空间是用户进程的虚拟地址空间，另一个就是文件系统所在的地址空间。

内核创建一个映射时，必须建立两个地址空间之间的关联，以支持二者以请求读写的形式通信。
vm_operations_struct 结构用于完成该工作。它提供了一个操作，来读取已经映射到虚拟地址空间，但是其内容尚未进入物理内存的页。
各种不同文件类型（普通文件，设备文件等），以及映射类型和性质相关的信息，还会用到另外一个结构 address_space 。

内存映射

建立映射时内核和应用程序之间的交互，c标准库提供了mmap函数建立映射。
在内核这端，提供了2个系统函数mmap和mmap2。mmap 和 mmap2 之间的差别在于偏移量的语义（ off ）。在这两个调用中，它都表示映射在文件中开始的位置。对于 mmap ，位置的单位是字节，而 mmap2 使用的单位则是页（ PAGE_SIZE ）。因此即使文件比可用地址空间大，也可以映射文件的一部分

堆的管理

堆是进程中用于动态分配变量和数据的内存区域。它的实现依赖标准库提供的辅助函数（比如malloc）来分配任意长度内存区域。堆是一个连续的内存区域，在扩展时自下向上增长。前面提到的mm_struct 结构，包含了堆在虚拟地址空间的起始位置和当前结束地址（start_brk和brk）。
<mm_types.h>

struct mm_struct
{
    ...
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    ...
};

brk 系统调用只需要一个参数，用于指定堆在虚拟地址空间中新的结束地址（如果堆将要收缩，
当然可以小于当前值）。brk 系统调用实现的入口是 sys_brk 函数。