Linux內(nèi)存布局是怎樣的

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我們先來看下Linux內(nèi)存布局：

在linux中，每一個(gè)進(jìn)程都被抽象為task_struct結(jié)構(gòu)體，稱為進(jìn)程描述符，存儲著進(jìn)程

各方面的信息；例如打開的文件，信號以及內(nèi)存等等；然后task_struct的一個(gè)屬性mm_struct管理著進(jìn)程的所有虛擬內(nèi)存，稱為內(nèi)存描述符。在mm_struct結(jié)構(gòu)體中，存儲著進(jìn)程各個(gè)內(nèi)存段的開始以及結(jié)尾，如上圖所示；這個(gè)進(jìn)程使用的物理內(nèi)存，即常駐內(nèi)存RSS頁數(shù)，這個(gè)內(nèi)存使用的虛擬地址空間VSZ頁數(shù)，還有這個(gè)進(jìn)程虛擬內(nèi)存區(qū)域集合和頁表。

從上面這個(gè)圖可以看出，進(jìn)程是有代碼段Text segment,數(shù)據(jù)段（已初始化的全局，靜態(tài)變量），BSS段（未初始化的全局，靜態(tài)變量），堆，內(nèi)存映射區(qū)以及棧；

每一塊虛擬內(nèi)存區(qū)(VMA)都是由一塊連續(xù)的虛擬地址組成，這些地址從不覆蓋。一個(gè)vm_area_struct實(shí)例描述了一塊內(nèi)存區(qū)域，包括這塊內(nèi)存區(qū)域的開始以及結(jié)尾地址；flags標(biāo)志決定了這塊內(nèi)存的訪問權(quán)限和行為；vm_file決定這塊內(nèi)存是由哪個(gè)文件映射的，如果沒有文件映射，則這塊內(nèi)存為匿名的(anonymous)。上述圖中提到的每個(gè)內(nèi)存段，都對應(yīng)于一個(gè)vm_area_struct結(jié)構(gòu)。如下圖所示

上圖即為/bin/gonzo進(jìn)程的內(nèi)存布局。程序的二進(jìn)制文件映射到代碼段和數(shù)據(jù)段，代碼段為只讀只執(zhí)行，不可更改；全局以及靜態(tài)的未初始化的變量映射到BSS段，為匿名映射，堆和棧也是匿名映射，因?yàn)闆]有相應(yīng)的文件映射；內(nèi)存映射區(qū)可以映射共享庫，映射文件以及匿名映射，所以這塊內(nèi)存段可以是文件映射也可以是匿名映射。而且不同的文件，映射到不同的vm_area_struct區(qū)。

這些vm_area_struct集合存儲在mm_struct中的一個(gè)單向鏈表和紅黑樹中；當(dāng)輸出/proc/pid/maps文件時(shí)，只需要遍歷這個(gè)鏈表即可。紅黑樹主要是為了快速定位到某一個(gè)內(nèi)存塊,紅黑樹的根存儲在mm_rb域。

之前介紹過，線性地址需要通過頁表才能轉(zhuǎn)換為物理地址。每個(gè)進(jìn)程的內(nèi)存描述符也保存了這個(gè)進(jìn)程頁表指針pgd，每一塊虛擬內(nèi)存頁都和頁表的某一項(xiàng)對應(yīng)。

虛擬內(nèi)存是不存儲任何數(shù)據(jù)的，它只是將地址空間映射到物理內(nèi)存。物理內(nèi)存有內(nèi)核伙伴系統(tǒng)分配，如果一塊物理內(nèi)存沒有被映射，就可以被伙伴系統(tǒng)分配給虛擬內(nèi)存。剛分配的物理內(nèi)存葉框可能是匿名的，存儲進(jìn)程數(shù)據(jù)，也可能是也緩存，存儲文件或塊設(shè)備的數(shù)據(jù)。一塊虛擬內(nèi)存vm_area_struct塊是由連續(xù)的虛擬內(nèi)存頁組成的，而這些虛擬內(nèi)存塊映射的物理內(nèi)存卻不一定連續(xù)，如下圖所示：

如上圖所示，有三個(gè)頁映射到物理內(nèi)存，還有兩個(gè)頁沒有映射，所以常駐內(nèi)存RSS為12kb，而虛擬內(nèi)存大小為20kb。對于有映射到物理內(nèi)存的三個(gè)頁的頁表項(xiàng)PTE的Present標(biāo)志設(shè)為1，而兩個(gè)沒有映射物理內(nèi)存的虛擬內(nèi)存頁表項(xiàng)的Present位清除。所以這時(shí)訪問那兩塊內(nèi)存，則會導(dǎo)致異常缺頁。

vma就像應(yīng)用程序和內(nèi)核的一個(gè)契約。當(dāng)應(yīng)用程序申請內(nèi)存或者文件映射時(shí)，內(nèi)核先響應(yīng)這個(gè)請求，分配或更新虛擬內(nèi)存；但是這些虛擬內(nèi)存并沒有映射到真實(shí)的物理內(nèi)存。而是等到內(nèi)存訪問產(chǎn)生一個(gè)內(nèi)存異常缺頁時(shí)才真正映射物理內(nèi)存。即當(dāng)訪問沒有映射的虛擬內(nèi)存時(shí)，由于頁表項(xiàng)的Present位沒有被設(shè)置，所以此時(shí)會產(chǎn)生一個(gè)缺頁異常。vma記錄和頁表項(xiàng)兩個(gè)在解決內(nèi)存缺頁，釋放內(nèi)存以及內(nèi)存swap out都起著重要的作用。下面圖展示了上述情況：

1、一開始堆中只有8kb的內(nèi)存，而且都已經(jīng)映射到物理內(nèi)存；

2、當(dāng)調(diào)用brk()函數(shù)擴(kuò)展堆時(shí)，新的頁是沒有映射到物理內(nèi)存的，

3、當(dāng)處理器需要訪問一個(gè)地址，而且這個(gè)地址在上述剛分配的虛擬內(nèi)存中，這時(shí)產(chǎn)生一個(gè)缺頁異常；

4、這時(shí)進(jìn)程向伙伴系統(tǒng)申請一頁的物理內(nèi)存，映射到那塊虛擬內(nèi)存上，并添加頁表項(xiàng)，設(shè)置Present位.

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