Linux虚拟地址空间概述

1 虚拟地址空间概述 

    Linux进程虚拟地址空间是linux内存管理一个重要的部分，我们知道，在IA-32系统上地址空间的范围可达2的32次幂=4G，总的地址空间通常按3：1的比例划分，用户态占用了3G，内核占用了1G。

各进程的用户态虚拟地址空间起始于地址0，延伸到TASK_SIZE -1的位置，其上是内核的地址空间。

    无论当前的那个用户进程处于运行状态，虚拟地址空间的内核部分总是相同的。如下图所示：

2 用户态地址空间

    虚拟地址空间有不同的段组成，分布方式是特定于体系结构的，但所有方法都有下列共同成分。

在IA-32架构中，Linux传统内存空间布局如下：

2.1 各段的说明

TEXT：代码段，映射程序的二进制代码， 该区域为私有区域；在代码段中，也会包含一些只读的常数变量，比如字符串常量等。

    一般来说，IA-32体系结构中进程空间的代码段从0x08048000开始，这与最低可用地址(0x00000000)有128M的间距，按照linux内核架构一书介绍是为了捕获NULL指针(具体不详)。该值是在编译阶段就已经设定好的，其他体系结构也有类似的缺口，比如mips(), ppc() x86-64使用的是0x000000000400000。

DATA：数据段，映射程序中已经初始化的全局变量。

BSS段：存放程序中未初始化的全局变量，在ELF文件中，该区域的变量仅仅是个符号，并不占用文件空间，但程序加载后，会占用内存空间，并初始化为0。

HEAP：运行时的堆，在程序运行中使用malloc申请的内存区域。

    该区域的起始地址受start_brk影响，和BSS段之间会有一个随机值的空洞；该区域的内存增长方式是由低地址向高地址增长。

MMAP：共享库及匿名文件的映射区域；该区域中会包含共享库的代码段和数据段。其中代码段为共享的，但数据段为私有的，写时拷贝。

    该区域起始地址也会有一个随机值，该区域的增长方式是从高地址向低地址增长（Linux经典布局中不同，稍后讨论）

STACK：用户进程栈；

    该区域起始地址也存在一个随机值，通过PF_RANDOMIZE来设置。栈的增长方向是由高地址向低地址增长，并且若设置了RLIMIT_STACK即规定了栈的大小。

最后，是命令行参数和环境变量。

2.2 布局说明

    Linux经典内存布局和新布局不同

    从以上图对比可以发现，不同之处在于MMAP区域的增长方向，新布局导致了栈空间的固定，而堆区域和MMAP区域公用一个空间，这在很大程度上增长了堆区域的大小。

    那么为什么这么做呢？使用经典布局在32位计算机上，TASK_UNMMAPPED_BASE在IA-32中只有0x40000000，也就是说对空间只有1G空间可用，堆超过了可用空间，继续增长会进入MMAP区域。在2.6.7内核开始，为IA-32引入了新的虚拟地址空间的布局（经典布局仍然可用）。

    布局的选择，如果用户通过/proc/sys/kernel/legacy_va_layout给出明确指示，或者要执行的二进制文件为unix变体编译需要旧的布局，或者栈可以无限制增长，则系统就会选择旧的布局。

    如果选择新的布局时，内存增长是有高地址向低地址，那MMAP的起始地址从什么地方开始的？可以使用栈的最大长度来计算栈最低的可能位置，作为MMAP的基址。但内核也会确保栈至少跨越128M空间。如果指定了栈的界限非常大，那内核也会至少保留一部分地址空间不会被栈占据。通常要求地址空间的随机化，上述位置会再减去一个偏移量，最大为1M。

    64位系统上堆虚拟地址空间总是使用经典布局。

2.3 随机化问题

    在以上的描述中提到堆/栈/MMAP的随机化问题，那么为什么需要随机化呢？ 如果所有的进程都按照设定的默认值，攻击者很容易就知道栈和库函数的地址。

3 内核态地址空间

3.1 内核在物理内存的布局

    Linux的内核在初始化时会加载到内存区的固定位置（在此我们不讨论可重定位内核的情况），而内核所占用的内存区域的布局是固定的，如图所示：

    内存的第一个页不使用，通常保留给BIOS使用，接下来的640K原则上是可用的，但也不会加载内核代码，因为系统用于各种ROM（BIOS和显卡ROM）的映射。再之后的空间也是闲置的，原因是内核需要被放到连续的内存中；所以从0x100000作为内核代码的起始地址。

3.2 各段的说明

内核占据的内存也分为几个段：

_text和_etext是代码段的起始和终止位置

_etext到_edata之间是数据段，保存了大部分的内核变量

_edata到_end之间，是初始化为0的所有静态全局变量的BSS段。

以上的信息可以通过cat /proc/iomem来查看，不同cpu体系有不同的情况。

3.3 由物理地址到虚拟地址的转换

    IA-32架构可以访问4G的地址空间，通常会将线性地址空间划分为3：1的两个部分：用户态使用3G，内核态使用1G，即内核空间从0xC0000000开始，每个虚拟地址x都对应于物理地址x-0xC0000000。这样的设计可以加快内核空间的寻址速度（简单的减法操作）。在进程切换的过程中，只有用户态对应的页表被切换，高地址空间会公用内核页表。

3.4 高端内存的情况

    IA-32架构的这种设计也存在这样的一个问题：既然内核只能处理1G的空间（实际上内核直接处理的空间还不足1G），那么物理内存大于1G，剩下的内存将如何处理呢？这种情况下内核无法直接映射全部的物理内存，这样就会用到高端内存区域的概念了（ZONE_HIGHMEM）。具体的内存分配如下图：

    由以上的图可以看到，内核区域的映射从_PAGE_OFFSE(0xC0000000)开始，即3G的位置开始映射到4G的区域，开始的一段用于直接映射，后而的128M为vmalloc使用的空间，再之后会有永久映射和固定映射区。所以事实上，物理内存能够直接映射到内核的空间=1G-vmalloc-永久映射-固定映射，真正的空间大约只剩下850M，也就是说，物理内存中只有850M是可以映射到内核空间的，对于超过的部分来说，作为高端内存使用。

3.5 疑问一

    这里会存在一个疑问：如果内存只能处理896M的空间，那么如果内存很大比如（3G），那剩下的内存怎么办？对于这个问题，我们需要注意的是，1.这里讲述的内存是内核直接映射的物理内存，对于高地址的内存内核还有另外一套机制来管理；2.用户空间对物理内存的访问不是通过直接映射，还有另外一套机制。

3.6 疑问二

    还有一个疑问：既然内核直接映射了将近1G的内存，那么如果我们有3G的物理内存，是不是只有2G多一点的内存可使用了呢？这个说法是错误的，上图所描述的只是内核在线性地址空间的分布情况，物理内存分配的过程中（用户态进程申请的内存，vmalloc部分的内存等），更倾向于先分配高地址的内存，在高地址内存耗尽的情况下，才会使用低850M的内存。

4 虚拟地址空间的访问权限

1. 用户空间禁止访问内核空间。

2. 用户态通过系统调用切换到内核空间后，该进程处于内核态上下文，可以访问用户空间的内存。

3. 中断抢占进程后，处于中断上下文时，不能访问用户空间。

4. 内核线程不能访问用户空间。

第一篇就先写到这里，可能也会有理解不太准确的地方，后续也会据此继续更新，希望使该篇文章保持准确性。