进程空间管理：用户态和内核态

用户态虚拟空间里面有几类数据，例如代码、全局变量、堆、栈、内存映射区等。在 struct mm_struct 里面，有下面这些变量定义了这些区域的统计信息和位置。

unsigned long mmap_base;  /* base of mmap area */
unsigned long total_vm;    /* Total pages mapped */
unsigned long locked_vm;  /* Pages that have PG_mlocked set */
unsigned long pinned_vm;  /* Refcount permanently increased */
unsigned long data_vm;    /* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK */
unsigned long exec_vm;    /* VM_EXEC & ~VM_WRITE & ~VM_STACK */
unsigned long stack_vm;    /* VM_STACK */
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;

其中，total_vm 是总共映射的页的数目。我们知道，这么大的虚拟地址空间，不可能都有真实内存对应，所以这里是映射的数目。当内存吃紧的时候，有些页可以换出到硬盘上，有的页因为比较重要，不能换出。locked_vm 就是被锁定不能换出，pinned_vm 是不能换出，也不能移动。

data_vm 是存放数据的页的数目，exec_vm 是存放可执行文件的页的数目，stack_vm 是栈所占的页的数目。

start_code 和 end_code 表示可执行代码的开始和结束位置，start_data 和 end_data 表示已初始化数据的开始位置和结束位置。

start_brk 是堆的起始位置，brk 是堆当前的结束位置。前面咱们讲过 malloc 申请一小块内存的话，就是通过改变 brk 位置实现的。

start_stack 是栈的起始位置，栈的结束位置在寄存器的栈顶指针中。

arg_start 和 arg_end 是参数列表的位置， env_start 和 env_end 是环境变量的位置。它们都位于栈中最高地址的地方。

mmap_base 表示虚拟地址空间中用于内存映射的起始地址。一般情况下，这个空间是从高地址到低地址增长的。前面咱们讲 malloc 申请一大块内存的时候，就是通过 mmap 在这里映射一块区域到物理内存。咱们加载动态链接库 so 文件，也是在这个区域里面，映射一块区域到 so 文件。

这下所有用户态的区域的位置基本上都描述清楚了。整个布局就像下面这张图这样。虽然 32 位和 64 位的空间相差很大，但是区域的类别和布局是相似的。

堆是从低地址向高地址增长的，sys_brk 函数的参数 brk 是新的堆顶位置，而当前的 mm->brk 是原来堆顶的位置。

首先要做的第一个事情，将原来的堆顶和现在的堆顶，都按照页对齐地址，然后比较大小。如果两者相同，说明这次增加的堆的量很小，还在一个页里面，不需要另行分配页，直接跳到 set_brk 那里，设置 mm->brk 为新的 brk 就可以了。

如果发现新旧堆顶不在一个页里面，麻烦了，这下要跨页了。如果发现新堆顶小于旧堆顶，这说明不是新分配内存了，而是释放内存了，释放的还不小，至少释放了一页，于是调用 do_munmap 将这一页的内存映射去掉。

如果堆将要扩大，就要调用 find_vma。如果打开这个函数，看到的是对红黑树的查找，找到的是原堆顶所在的 vm_area_struct 的下一个 vm_area_struct，看当前的堆顶和下一个 vm_area_struct 之间还能不能分配一个完整的页。如果不能，没办法只好直接退出返回，内存空间都被占满了。

如果还有空间，就调用 do_brk 进一步分配堆空间，从旧堆顶开始，分配计算出的新旧堆顶之间的页数。

内核态的虚拟空间和某一个进程没有关系，所有进程通过系统调用进入到内核之后，看到的虚拟地址空间都是一样的。

在内核态，32 位和 64 位的布局差别比较大，主要是因为 32 位内核态空间太小了。32 位的内核态虚拟地址空间一共就 1G，占绝大部分的前 896M，我们称为直接映射区。

所谓的直接映射区，就是这一块空间是连续的，和物理内存是非常简单的映射关系，其实就是虚拟内存地址减去 3G，就得到物理内存的位置。

• __pa(vaddr) 返回与虚拟地址 vaddr 相关的物理地址；
• __va(paddr) 则计算出对应于物理地址 paddr 的虚拟地址。

其实 64 位的内核布局反而简单，因为虚拟空间实在是太大了，根本不需要所谓的高端内存，因为内核是 128T，根本不可能有物理内存超过这个值。

64 位的内核主要包含以下几个部分。从 0xffff800000000000 开始就是内核的部分，只不过一开始有 8T 的空档区域。

从 __PAGE_OFFSET_BASE(0xffff880000000000) 开始的 64T 的虚拟地址空间是直接映射区域，也就是减去 PAGE_OFFSET 就是物理地址。虚拟地址和物理地址之间的映射在大部分情况下还是会通过建立页表的方式进行映射。

从 VMALLOC_START（0xffffc90000000000）开始到 VMALLOC_END（0xffffe90000000000）的 32T 的空间是给 vmalloc 的。从 VMEMMAP_START（0xffffea0000000000）开始的 1T 空间用于存放物理页面的描述结构 struct page 的。

从 __START_KERNEL_map（0xffffffff80000000）开始的 512M 用于存放内核代码段、全局变量、BSS 等。这里对应到物理内存开始的位置，减去 __START_KERNEL_map 就能得到物理内存的地址。这里和直接映射区有点像，但是不矛盾，因为直接映射区之前有 8T 的空当区域，早就过了内核代码在物理内存中加载的位置。

进程运行状态在 32 位下对应关系。

对于 64 位的对应关系，只是稍有区别。

此文章为11月Day2学习笔记，内容来源于极客时间《趣谈Linux操作系统》，推荐该课程。