Linux下虚拟空间的管理

如果说物理空间是从“供”的角度管理的，那么虚拟空间的管理就是从“需”的角度管理的。就是我们需要虚存空间的哪些部分。

一个进程所需要使用的虚拟空间中各个部位又未必是连续的，通常形成若干离散的虚存"区间"。在Linux内核中，对虚拟区间的就是vm_area_struct数据结构。

struct vm_area_struct
{
    struct mm_struct *vm_mm;        /* The address space we belong to. */
    unsigned long vm_start;         /* Our start address within vm_mm. */
    unsigned long vm_end;           /* The first byte after our end address
                                           within vm_mm. */
    ....
    /* linked list of VM areas per task, sorted by address */
    struct vm_area_struct *vm_next;
    ....
    /* describe the permissable operation */
    unsigned long vm_flags;
    /* operations on this area */
    struct vm_operations_struct * vm_ops;
    
    struct file * vm_file; /* File we map to （can be NULL）. */
} ;

结构中的vm_start 和vm_end决定一个虚存空间。vm_start是包括在区间内的，而vm_end则不包括在区间内。区间的划分并不仅仅取决于地址的连续性，也取决于区间的其他属性，主要是对虚拟页面的访问权限。包含在同一个区间里的所有页面应该有相同的访问权限（或保护权限）和一些其它权限。这就是结构中的成分vm_page_porthe vm_flags的用途。 

属于同一个进程的所有区间都是按虚拟内存的高低次序链接在一起。（vm_next）

在vm_area_struct中还有一个指针vm_mm，该指针指向一个mm_struct数据结构；这是比vm_area_struct更高层次的数据结构。

struct mm_struct
{
    struct vm_area_struct *mmap;            /* list of VMAs */
    struct rb_root mm_rb;
    struct vm_area_struct *mmap_cache;      /* last find_vma result */
    ...
    unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
    unsigned long start_brk, brk, start_stack;
    ...
};

mm_struct数据结构是整个用户空间的抽象。

第一个mmap用来建立一个虚拟区间结构的单链线性队列。

第二个mm_rb建立虚拟区间的红黑树。（红黑树的查找效率远大于单链表）；

第三个mm_cache，用于指向最近一次用过的虚存区间结构。（程序运行的局部性原理，最近一次用到的区间很可能就是下一次要用的区间）。

当查找虚拟空间时，

find_vma()，先查找mm_cache，没有找到再从红黑树（或链表）中查找，找到后将mm_cache指针指向找到的vm_area_struct 。

如果find_vma()返回值为0，表示该地址所属区间还未建立。调用insert_vm_struct（）将其插入到mm_struct中红黑树或链表中去。