【Linux内存管理】三、虚拟地址空间管理

根据提供的信息，我们可以深入探讨Linux操作系统中的虚拟地址空间管理机制，特别是从用户态空间管理和内核态空间管理两个维度进行详细解析。 ### 用户态空间管理 #### 1.1 `task_struct` 结构体 在Linux中，每一个进程都被抽象为一个`task_struct`结构体。这个结构体包含了进程的各种属性和状态信息。例如，`task_struct`结构体中包含的`pid`和`tgid`分别表示进程ID和线程组ID。`files`字段则用于存储进程打开的所有文件的信息。 - **进程ID (pid)**: 表示进程的唯一标识符。 - **线程组ID (tgid)**: 表示线程组的唯一标识符，通常与主进程的进程ID相同。 - **文件结构 (files)**: 存储进程当前打开的所有文件的相关信息。 其中最重要的字段之一是`mm`，它指向`mm_struct`结构体，用于管理该进程的虚拟内存空间。 #### 1.2 `mm_struct` 结构体 每个进程都有一个唯一的`mm_struct`结构体，用于描述该进程的虚拟地址空间。`mm_struct`结构体包含了一系列的字段，用于跟踪进程的虚拟内存布局以及各种内存区域的状态。 - **任务虚拟内存大小 (`task_size`)**: 定义了用户空间的大小。 - **mmap区域基址 (`mmap_base`)**: 指向进程内存映射表的基地址。 - **总映射页面数 (`total_vm`)**: 当前进程已映射的页面总数。 - **锁定的虚拟内存 (`locked_vm`)**: 已经被锁定（即不能被交换到磁盘）的虚拟内存页面数。 - **永久增加的引用计数 (`pinned_vm`)**: 已经被固定（即不能被释放）的虚拟内存页面数。 - **数据段虚拟内存 (`data_vm`)**: 只读或未共享的数据段占用的虚拟内存大小。 - **执行段虚拟内存 (`exec_vm`)**: 可执行但不可写且不是堆栈的虚拟内存大小。 - **堆栈段虚拟内存 (`stack_vm`)**: 堆栈段占用的虚拟内存大小。 这些字段共同描述了一个进程的虚拟内存布局和状态。 #### 1.3 内核态和用户态的划分 `task_size`变量在`mm_struct`结构体中定义，用于划分虚拟内存的用户空间和内核空间。当创建一个新的进程时，Linux内核会调用`load_elf_binary`函数，进而调用`setup_new_exec`函数来初始化新的进程上下文。在这个过程中，会设置`TASK_SIZE`常量作为用户空间和内核空间的分界线。 `TASK_SIZE`是一个宏，其值通常定义为`4096 * 1024 * 1024 - 1`，即4GB减去1。这意味着在32位系统中，用户空间占据的地址范围是从0x00000000到0xC0000000，而内核空间则占据剩余的地址范围。在64位系统中，这个划分方式可能会有所不同。 ### 内核态空间管理 内核态空间管理主要包括几个关键区域的定义： #### 2.1 分界线定义 在32位系统中，内核空间和用户空间之间的分界线通常设在0xC0000000处。这意呀着从0x00000000到0xC0000000是用户空间，而从0xC0000000到0xFFFFFFFF是内核空间。 #### 2.2 直接映射区定义 直接映射区是指内核空间的一部分，通常是低地址部分，用于直接映射物理内存。这部分内存可以直接访问，无需经过额外的页表转换。 #### 2.3 安全保护区定义 安全保护区是一段特殊的内核空间，用于保护某些关键的内核数据结构，防止被意外修改。 #### 2.4 动态映射区定义 动态映射区是内核空间中的一段区域，用于动态分配内核数据结构或者模块的内存。 #### 2.5 永久映射区定义 永久映射区是内核空间中一段固定的区域，用于映射一些固定的内核数据结构，如页表等。 #### 2.6 临时映射区定义 临时映射区是指内核空间中的一段区域，用于临时映射一些特定的内存区域，比如在内存复制操作中使用的区域。 Linux操作系统通过对虚拟地址空间的精细划分和管理，有效地实现了用户态和内核态之间的隔离，并提供了灵活多样的内存管理机制。这种设计不仅提高了系统的安全性，还增强了系统的性能和稳定性。