Linux 进程地址空间 - 简介

进程虚拟地址空间是linux的一个重要抽象，系统为每一个运行的Linux进程提供了4GB的虚拟地址空间，进程之间不会相互干扰，仅能访问自己的虚拟地址空间地址。Linux进程的虚拟地址空间分为User和kernel两个部分，0~3G是为进程的User地址空间，3G~4G为kernel地址空间。此外进程虚拟地址空间也使得许多高级的linux技术得以实现：比如内存映射，延迟分配，共享内存等。因此进程虚拟内存技术和kernel部分的地址空间管理相比，要复杂的多。

希望通过如下小节，彻底搞清进程虚拟地址空间。

1 进程虚拟地址空间 简介

2. 进程虚拟地址空间 涉及的数据结构

3. 进程虚拟地址空间 辅助操作函数

• find_vma
• find_vma_intersection
• get_unmapped_area
• insert_vm_struct

4. 进程虚拟地址空间 操作函数

• 分配虚拟地址空间 do_mmap
• 释放虚拟地址空间 do_munmap
  

5. page fault处理函数

• 异常发生在已创建地址空间内
• 异常发生在已创建地址空间外
• 物理页框的按需分配
• Copy on write
• 访问kernel vmalloc区引发的异常

6. 堆的管理

基本概念

进程虚拟地址空间管理之所以复杂，我觉得和涉及到的技术，术语，概念比较多息息相关。所以先解释一些进程虚拟地址管理的术语和技术。

虚拟地址

又称为线性地址，对于IA32和其他的32bit体系结构来说，虚拟地址范围是0~4G，我们把虚拟地址划分为两个空间：User mode地址空间和Kernel模式地址空间。进程只能访问虚拟地址，通过进程页表由MMU进行地址转换（进程页表保存着虚拟地址到物理地址的映射关系），当CPU访问虚拟地址时，MMU会自动把虚拟地址翻译为对应的物理地址，并把请求发送给翻译后的物理地址。

物理地址

物理内存单元的地址，包括RAM, ROM, 模块寄存器，IO单元的访问地址。除了dma操作外，操作系统都是通过虚拟地址访问这些内存，设备和IO的。物理地址散布在0~4G的地址范围内，但是kernel会吧他们映射到3G~4G的kernel虚拟地址空间内

页框

也是物理页框，为了便于管理，把物理内存切分为4KB大小的页框。

用户地址空间

虚拟地址空间的一部分，大小依赖于User kernel空间的划分比例，一般情况下是3G，用户进程只能访问用户地址空间的数据，如果想要访问内核空间，那么必须通过系统调用进入内核空间。由于进程用户地址空间的页表不同（也有列外，从一个进程fork出来的子进程实际上共享整个地址空间），因此访问一个进程的用户地址空间不会影响到其他的进程。

kernel地址空间

虚拟（线性）地址空间的一部分，一般是1G大小，所有进程的kernel地址空间页表都是相同的，也就是说他们的kernel空间的内容是完全相同的。在kernel空间，对系统有绝对的控制权，可以访问任意的系统资源。一般来说（之所以用一般，是因为这也是体系结构相关，配置相关的），内核空间的划分如下。

Anonymous匿名映射

匿名映射是指映射区没有关联到磁盘上的文件，通常用做进程间共享内存。

推迟分配页面 demand paging

推迟分配是动态内存分配技术，在建立虚拟地址空间时，并不会建立虚拟地址到物理地址的映射，直到应用访问了这个虚拟地址空间内的地址。处理器触发page fault时，内核才会尝试分配物理页框，并建立这种映射关系。

推迟分配是绝对必要的：

1. 虽然大多数进程在3G的地址空间内仅占用了很小的空间，来建立虚拟地址映射，但是所有进程相加，这个数目仍然远超过系统的物理内存。

2. 一个进程映射了一个巨大的文件进行编辑，但是实际上编辑过程仅仅操作文件末尾的几页，因此根本没有必要为整个文件都建立页面映射。

如果留心，就会发现推迟遍布操作系统的每个角落，比如文件的迟写，文件buffer的存在，甚至处理器的cache写操作。

 

堆

堆是进程用于动态分配变量和数据的内存区域，堆的分配和管理对程序员来说是不可见的。程序员使用的是C库提供的标准接口malloc，而malloc则调用brk系统调用来扩大或者缩小堆。

栈

栈起始于STACK_TOP，如果设置了PF_RANDOMIZE，那么起始点要比STaCK_TOP减少一个小的随机量。每个体系结构都定义了自己的随机量。

Copy On Write

copy on write 是操作系统以及其他软件系统常见的一种技术，即大家共享一份初始copy，当writer1要更改时，就copy一份数据到给writer，writer在这个新建的copy上进行修改。

当linux fork进程时，子进程最初的页表是从父进程复制的，页帧的内容并没有被复制（太多了，也太低效），子进程和父进程以及兄弟们共享这些物理页框。当然这些共享的页框不能够被修改的，如果想修改页框，那么就会发生一个异常。页面异常处理函数会复制一个新页框并标记为可写，而原始的页框保持write-protected。

反向映射

虚拟内存映射的目的就是给定虚拟地址空间，通过页表找到虚拟地址空间对应的物理页框。所谓反向映射就是这个查找的反向过程，给定一个物理页框，找到所有映射了这个页面的虚拟地址。由于虚拟地址到物理地址的映射是多对一的，所以必须要增加一些附加的数据结构和方法，来实现这种反向映射。

之所以要引入反向映射，是因为在换出页时，需要更新所有关联了该物理页面的虚拟地址对应的页表。