内存管理专题01 虚拟地址空间布局架构

一、内存管理架构
二、虚拟地址空间布局

一、内存管理架构
内存管理子系统架构分为：用户空间、内核空间及硬件部分三个层面，具体结构：
1、用户空间：应用程序使用malloc（）申请内存资源，free（）释放内存资源
2、内核空间：内核总是停留在内存中，是操作系统的一部分。内核空间为内存保留，不允许应用程序读写该区域的内容或直接调用内核代码定义的函数
3、硬件：处理器包含一个内存管理单元（Memory Management Unit，MMU）的部件，负责把虚拟地址转换成物理地址

Linux内核整体架构及子系统
linux内核只是操作系统当中的一部分，对下管理系统所有硬件设备；对上通过系统调用向library routine（或其他应用程序提供API接口）

内核重心在于：管理硬件设备、供应用程序使用。
现代系统标准组成：CPU、Memory（内存和外存）、I/O设备、网络设备和其他外围设备。

linux内核架构如下：

内存管理架构：
**用户空间：**上面是应用程序，通过专门的函数如（malloc/free/new/delete）提供的库来进行实现操作对应的内存地址。
相当于应用程序使用malloc()申请内存，通过free()释放内存。malloc()/free()是glibc库的内存分配器ptmalloc提供的接口，ptmalloc

内核空间：通过sys_brk/sys_mmp/sys_munmap处理，比如虚拟内存管理，页表管理，内存控制，内存碎片管理，页回收，内存耗尽，分配器，引导内存分配器等，都是内核里面的模块。
相当于虚拟内存管理负责从进程的虚拟地址空间分配虚拟页，sys_brk来扩大或者收缩堆，sys_mmap用来在内存映射区域分配虚拟页，sys_munmap来释放虚拟页。页分配器来负责分配物理页，使用的是伙伴分配器。
内核空间扩展功能，不连续页分配器提供分配内存的接口vmalloc和释放内存接口vfree。在内存碎片化的时候，申请连续页的成功率比较低，可以申请不连续的物理页，映射到连续的虚拟页，即虚拟地址连续但物理地址不连续。
内存控制组用来控制进程占用的内存资源。当内存碎片化的时候找不到连续的物理页，内存碎片整理通过迁移方式得到连续的物理页。在内存不足的时候，页回收负责回收物理页。

**硬件：**硬件所对应的部分如中央处理器（内存管理单元（页表缓存），缓存），物理内存。
MMU（内存管理单元）包含一个页表缓存，保存最近使用过的页表映射，避免每次把虚拟地址转化成物理地址都需要查询内存中的页表。解决处理器执行速度和内存速度不匹配的问题，中间增加一个缓存。一级缓存分为数据缓存和指令缓存。二级作用协调一级缓存和内存之间的工作效率。

从代码的角度：
系统调用（System Call）

二、虚拟地址空间布局架构
因为目前应用程序没有那么大的内存需求，所以ARM64处理器不支持完全的64位虚拟地址。
在ARM64架构的linux内核中，内核虚拟地址和用户虚拟地址的宽度相同。
所有进程共享内核虚拟地址空间，每个进程有独立的用户虚拟地址空间，同一个线程组的用户线程共享用户虚拟地址空间，内核线程没有用户虚拟地址空间。

1 用户虚拟地址空间划分
进程的用户虚拟空间的起始地址是0，长度是TASK_SIZE，由每种处理器架构定义自己的宏TASK_SIZE。ARM64架构定义的宏TASK_SIZE如下：
32位用户空间程序：TASK_SIZE的值是TASK_SIZE_32，及0x100000000，等4GB。
64位用户空间程序：TASK_SIZE的值是TASK_SIZE_64，即2^VA_BITS字节。
VA_BITS是编译内核时候选择的虚拟地址位数

进程的用户虚拟地址空间包含区域：
代码段，数据段，未初始化数据段；
动态库的代码段，数据段和未初始化数据段；
存放动态生成的数据堆；
存放局部变量和实现函数调用的栈；
把文件区间映射到虚拟地址空间的内存映射区域；
存放在栈底部的环境变量和参数字符串。

用户虚拟地址空间linux内核源码分析如图：



linux内核使用内存描述符mm_struct，描述进程的用户虚拟地址空间，内核源码分析：





一个进程的虚拟地址空间主要由两个数据结构描述。一个是最高层次的mm_struct，较高层次的vm_area_struct。最高层次的mm_struct结构描述一个进程整个虚拟地址空间。较高层次结构描述虚拟地址空间的一个区间（成为虚拟区）。每个进程只有一个mm_struct结构，在每个进程的mm_struct结构中，有一个专门用来指向该进程的结构。mm_struct结构是对整个用户空间的描述。





2 内核地址空间划分
ARM64处理器架构内核地址空间布局如图：
（KASAN：动态内存错误检查工具）