【转载】linux内核笔记之进程地址空间

最新推荐文章于 2025-09-08 22:18:39 发布

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#操作系统 #数据结构与算法 #数据库

本文解析了Linux系统中进程地址空间的组织结构，包括线性区描述符、内存描述符等关键数据结构及其作用，阐述了这些数据结构如何帮助内核高效管理进程内存。

原文：linux内核笔记之进程地址空间

进程的地址空间由允许进程使用的全部线性地址组成，在32位系统中为0~3GB，每个进程看到的线性地址集合是不同的。

内核通过线性区的资源（数据结构）来表示线性地址区间，线性区是由起始线性地址，长度和一些访问权限来描述的。线性区的大小为页框的整数倍，起始地址为4096的整数倍。

下图展示了x86 Linux 进程的地址空间组织结构：

正文段 .text ，这是CPU执行的机器指令部分。通常正文段是共享的，而且是只读的，以防止程序修改其自身的指令。
数据段 .data。数据段包含了程序中需要明确赋初值的变量。
非初始化数据段 bss。bss 起始于 IBM 704汇编语言中的 Block Storage Start 指令的首字母缩写,并且沿用至今。

线性区描述符

进程地址空间中的堆、栈等，就是一个线性区，线性区的结构类型为 struct vm_area_struct ：

http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h#L299

299structvm_area_struct {
300/* The first cache line has the info for VMA tree walking. */
301
302unsignedlongvm_start;/* Our start address within vm_mm. */ 303unsignedlongvm_end;/* The first byte after our end address 304 within vm_mm. */ 305 306/* linked list of VM areas per task, sorted by address */ 307structvm_area_struct *vm_next, *vm_prev; 308 309structrb_node vm_rb; 310 311/* 312 * Largest free memory gap in bytes to the left of this VMA. 313 * Either between this VMA and vma->vm_prev, or between one of the 314 * VMAs below us in the VMA rbtree and its ->vm_prev. This helps 315 * get_unmapped_area find a free area of the right size. 316 */ 317unsignedlongrb_subtree_gap; 318 319/* Second cache line starts here. */ 320 321structmm_struct *vm_mm;/* The address space we belong to. */ 322pgprot_tvm_page_prot;/* Access permissions of this VMA. */ 323unsignedlongvm_flags;/* Flags, see mm.h. */ 324 325/* 326 * For areas with an address space and backing store, 327 * linkage into the address_space->i_mmap interval tree. 328 */ 329struct{ 330structrb_node rb; 331unsignedlongrb_subtree_last; 332} shared; 333 334/* 335 * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma 336 * list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma 337 * can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack 338 * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. 339 */ 340structlist_head anon_vma_chain;/* Serialized by mmap_sem & 341 * page_table_lock */ 342structanon_vma *anon_vma;/* Serialized by page_table_lock */ 343 344/* Function pointers to deal with this struct. */ 345conststructvm_operations_struct *vm_ops; 346 347/* Information about our backing store: */ 348unsignedlongvm_pgoff;/* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE 349 units */ 350structfile * vm_file;/* File we map to (can be NULL). */ 351void* vm_private_data;/* was vm_pte (shared mem) */ 352 353#ifndefCONFIG_MMU 354structvm_region *vm_region;/* NOMMU mapping region */ 355#endif 356#ifdefCONFIG_NUMA 357structmempolicy *vm_policy;/* NUMA policy for the VMA */ 358#endif 359structvm_userfaultfd_ctx vm_userfaultfd_ctx; 360};

vm_start :线性区的起始地址
vm_end :线性区的结束地址
vm_rb :作为红黑树中的一个节点使用
vm_mm :指向所在的内存描述符
vm_page_prot :线性区中页框的访问权限
vm_flags :线性区的标志
vm_next, vm_prev :分别指向线性区链表中的下一个和上一个线性区描述符
… …

内存描述符

内存描述符中包含了与进程地址空间有关的所有信息，结构类型为 struct mm_struct :

http://lxr.free-electrons.com/source/include/linux/mm_types.h#L395

395structmm_struct {
396structvm_area_struct *mmap;/* list of VMAs */
397structrb_root mm_rb;
398u32 vmacache_seqnum;/* per-thread vmacache */ 399#ifdefCONFIG_MMU 400unsignedlong(*get_unmapped_area)(structfile *filp, 401unsignedlongaddr,unsignedlonglen, 402unsignedlongpgoff,unsignedlongflags); 403#endif 404unsignedlongmmap_base;/* base of mmap area */ 405unsignedlongmmap_legacy_base;/* base of mmap area in bottom-up allocations */ 406unsignedlongtask_size;/* size of task vm space */ 407unsignedlonghighest_vm_end;/* highest vma end address */ 408pgd_t* pgd; 409atomic_tmm_users;/* How many users with user space? */ 410atomic_tmm_count;/* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */ 411atomic_long_tnr_ptes;/* PTE page table pages */ 412#ifCONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2 413atomic_long_tnr_pmds;/* PMD page table pages */ 414#endif 415intmap_count;/* number of VMAs */ 416 417spinlock_tpage_table_lock;/* Protects page tables and some counters */ 418structrw_semaphore mmap_sem; 419 420structlist_head mmlist;/* List of maybe swapped mm's. These are globally strung 421 * together off init_mm.mmlist, and are protected 422 * by mmlist_lock 423 */ 424 425 426unsignedlonghiwater_rss;/* High-watermark of RSS usage */ 427unsignedlonghiwater_vm;/* High-water virtual memory usage */ 428 429unsignedlongtotal_vm;/* Total pages mapped */ 430unsignedlonglocked_vm;/* Pages that have PG_mlocked set */ 431unsignedlongpinned_vm;/* Refcount permanently increased */ 432unsignedlongdata_vm;/* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK */ 433unsignedlongexec_vm;/* VM_EXEC & ~VM_WRITE & ~VM_STACK */ 434unsignedlongstack_vm;/* VM_STACK */ 435unsignedlongdef_flags; 436unsignedlongstart_code, end_code, start_data, end_data; 437unsignedlongstart_brk, brk, start_stack; 438unsignedlongarg_start, arg_end, env_start, env_end; 439 440unsignedlongsaved_auxv[AT_VECTOR_SIZE];/* for /proc/PID/auxv */ 441 442/* 443 * Special counters, in some configurations protected by the 444 * page_table_lock, in other configurations by being atomic. 445 */ 446structmm_rss_stat rss_stat; 447 448structlinux_binfmt *binfmt; 449 450cpumask_var_tcpu_vm_mask_var; 451 452/* Architecture-specific MM context */ 453mm_context_tcontext; 454 455unsignedlongflags;/* Must use atomic bitops to access the bits */ 456 457structcore_state *core_state;/* coredumping support */ 458#ifdefCONFIG_AIO 459spinlock_tioctx_lock; 460structkioctx_table__rcu *ioctx_table; 461#endif 462#ifdefCONFIG_MEMCG 463/* 464 * "owner" points to a task that is regarded as the canonical 465 * user/owner of this mm. All of the following must be true in 466 * order for it to be changed: 467 * 468 * current == mm->owner 469 * current->mm != mm 470 * new_owner->mm == mm 471 * new_owner->alloc_lock is held 472 */ 473structtask_struct__rcu *owner; 474#endif 475 476/* store ref to file /proc/<pid>/exe symlink points to */ 477structfile__rcu *exe_file; 478#ifdefCONFIG_MMU_NOTIFIER 479structmmu_notifier_mm *mmu_notifier_mm; 480#endif 481#ifdefined(CONFIG_TRANSPARENT_HUGEPAGE) && !USE_SPLIT_PMD_PTLOCKS 482pgtable_tpmd_huge_pte;/* protected by page_table_lock */ 483#endif 484#ifdefCONFIG_CPUMASK_OFFSTACK 485structcpumask cpumask_allocation; 486#endif 487#ifdefCONFIG_NUMA_BALANCING 488/* 489 * numa_next_scan is the next time that the PTEs will be marked 490 * pte_numa. NUMA hinting faults will gather statistics and migrate 491 * pages to new nodes if necessary. 492 */ 493unsignedlongnuma_next_scan; 494 495/* Restart point for scanning and setting pte_numa */ 496unsignedlongnuma_scan_offset; 497 498/* numa_scan_seq prevents two threads setting pte_numa */ 499intnuma_scan_seq; 500#endif 501#ifdefined(CONFIG_NUMA_BALANCING) || defined(CONFIG_COMPACTION) 502/* 503 * An operation with batched TLB flushing is going on. Anything that 504 * can move process memory needs to flush the TLB when moving a 505 * PROT_NONE or PROT_NUMA mapped page. 506 */ 507booltlb_flush_pending; 508#endif 509structuprobes_state uprobes_state; 510#ifdefCONFIG_X86_INTEL_MPX 511/* address of the bounds directory */ 512void__user *bd_addr; 513#endif 514#ifdefCONFIG_HUGETLB_PAGE 515atomic_long_thugetlb_usage; 516#endif 517#ifdefCONFIG_MMU 518structwork_struct async_put_work; 519#endif 520};

mmap :线性区描述符链表中的头元素
mm_rb :线性区描述符所在红黑树的根
get_unmapped_area :在进程地址空间中搜索有效线性地址区间的方法
mmap_base :标识第一个分配的匿名线性区或文件内存映射的线性地址
task_size :进程地址空间的大小
highest_vm_end :能使用的最高线性地址
pgd :指向页全局目录
mm_users :次使用计数器
mm_count :主使用计数器
nr_ptes :页表项数量
map_count ：线性区数量
mmlist :链接内存描述符链表中的相邻描述符
… …

线性区相关

进程所拥有的所有线性区通过一个简单地链表链接在一起，链表中的线性区按内存地址升序排列。内核通过进程的内存描述符的 mmap 字段找到线性区链表的第一个线性区。

内核频繁执行的一个操作就是查找包含指定线性地址的的线性区，虽然可以通过遍历链表来查找，但是当线性区数量很庞大时，例如面向对象的数据库，此时的效率会变得非常低效。

Linux2.6把内存描述符存放在红黑树的数据结构中，当插入或删除一个线性区描述符时，内核通过红黑树搜索前后元素，并用搜索结果快速更新链表而不用扫描链表。一般来说，红黑树用来确定含有指定地址的线性区，而链表通常在扫描整个线性区集合的时候使用。

内存描述符相关

进程、内存描述符、线性区描述符、线性地址之间的关系如下:

所有内存描述符存放在一个双向链表中，每个描述符中的 mmlist 字段存放链表中相邻元素的地址。链表的第一个元素是 init_mm 的 mmlist 字段， init_mm 是初始化阶段进程0所使用的内存描述符。

mm_users 字段存放共享 mm_struct 数据结构的轻量级进程（线程）的个数， mm_count 字段是内存描述符的主使用器， mm_users 的所有使用者在 mm_count 中只占有一个单位，也就是说多个线程只使得 mm_count 的值增加了1。假如一个内核线程使用了该内存描述符，则 mm_count 的值增加1。

对于内核线程来说，因为仅运行在内核态，所以永远不会访问低于 TASK_SIZE （3GB）的地址。每个进程的描述符中包含了两种内存描述符指针: mm 和 active_mm。对于普通进程，两者都指向进程的内存描述符，而内核线程的 active_mm 指向进程的内存描述符， mm 为null。（PS:内核线程使用的全局页表存放在主内存描述符的pgd字段中）