虚拟存储器（二）——Linux虚拟存储器系统

Linux虚拟存储器系统

在了解了虚拟存储器的相关知识之后，我们通过Linux的虚拟存储器系统，来大致了解下操作系统是如何组织虚拟存储器的。

• Linux进程的虚拟存储器
  
  上图是一个Linux进程的虚拟存储器，与之前所示虚拟存储器的区别在于，其展现方式不再是一个个独立的页，而是按照不同的功能组织成不同的区域。

• 区域
  Linux将虚拟存储器组织成一些区域的集合。一个区域就是已分配的虚拟存储器的连续片，这些页是以某种方式相关联的。每个存在的虚拟页面都保存在某个区域中，而不属于某个区域的虚拟页是不存在的，并且不能被进程引用。

  内核为系统中的每个进程维护一个单独的任务结构。任务结构中的元素包含或者指向内核运行该进程所需要的所有信息(例如，PID、指向用户栈的指针、可执行目标文件的名字以及程序计数器)。
  
  task_struct中的一个条目指向mm_struct，它描述了虚拟存储器的当前状态。其中pgd指向第一级页表(页全局目录)的基址，而mmap指向一个vm_area_struct(区域结构)的链表，其中每个vm_area_struct都描述了当前虚拟地址空间的一个区域(area)。

• 缺页处理
  这里着眼点在于如何结合Linux的虚拟存储器结构进行缺页处理。当MMU翻译某个虚拟地址触发缺页时，则异常导致控制转移到内核的缺页处理程序，程序执行以下步骤：

  • 判断虚拟地址是否合法，即是否在区域结构定义的区域内。
  • 判断试图进行的存储器访问是否合法，即判断进程是否有读、写或执行这个区域内页面的权限。

  

• 存储器映射
  Linux虚拟存储器通过将虚拟存储器区域与一个磁盘上的对象关联起来，以初始化这个虚拟存储器区域的内容，这个过程称为存储器映射。
  虚拟存储器区域可以映射到两种类型的对象中的一种：

  • Unix文件系统中的普通文件：一个区域可以映射到一个普通磁盘文件的连续部分，例如一个可执行目标文件。
  • 匿名文件：匿名文件是由内核创建的，包含的全是二进制零。CPU第一次引用这样一个区域内的虚拟页面时，内核就在物理存储器中找到一个合适的牺牲页面，用二进制零覆盖牺牲页面并更新页表，将这个页面标记为是驻留在存储器中的。在磁盘和存储器之间并没有实际的数据传送。映射到匿名文件的区域中的页面有时也叫做请求二进制零的页。比如堆栈、未初始化的数据区域等，与磁盘无关了其实。

• 共享对象
  一个对象可以被映射到虚拟存储器的一个区域，要么作为共享时象，要么作为私有对象。对私有对象的写操作不会反应在磁盘上的对象中，而对共享对象的写操作会。
  

  私有对象使用一种写时拷贝技术，即在未进行写操作时，多个进程的虚拟存储器指向同一个对象，知道某个进程进行了写操作才拷贝一份。
  

• execve函数
  execve函数在当前进程中加载并运行包含在可执行目标文件a.out中的程序，用a .out程序有效地替代了当前程序。加载并运行a .out需要以下几个步骤：

  • 删除已存在的用户区域。
  • 映射私有区域。
  • 映射共享区域。
  • 设置程序计数器。