Linux内存管理——进程的用户空间管理

最新推荐文章于 2024-09-04 22:00:41 发布

静能生悟

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分类专栏：操作系统

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/xiezhi123456/article/details/99299429

本文详细介绍了Linux中进程用户空间的管理，包括mm_struct和vm_area_struct结构的作用，进程用户空间的创建，虚存映射的类型以及如何查看进程的虚存区。此外，还通过示例展示了如何通过系统调用映射匿名区和文件到进程的用户空间。

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一、进程的用户空间管理

每个进程最大可拥有3GB的私有虚拟内存空间。如何划分这3GB的空间？概括地说，用户程序经过编译、链接后形成的二进制映像文件有一个代码段和数据段，代码段在下，数据段在上。数据段中包括所有静态分配的数据空间，既全局变量和所有声明为static的局部变量，是在建立一个进程的运行映像时分配好的。除此之外，堆栈使用空间也属于基本要求，也是在建立进程时分配好的。BSS未初始化的数据段。

每个进程有3GB的用户空间，但其中的地址都是虚地址。用户进程在这个虚拟内存中并不能运行起来，必须把用户空间中的虚地址映射到物理存储空间，这种映射的建立和管理由内核完成。向内核申请一块空间，是指请求内核分配一块虚存区间和相应的若干物理页面，并建立映射关系。

内核在创建进程时根据需要才真正分配一些物理页面而建立映射。系统利用请页机制来避免对物理内存的过分使用。因为进程访问的用户空间中的页可能当前不在物理内存中，操作系统通过请页机制把数据从磁盘装入到物理内存。系统需要修改进程的页表，标志用户空间中的页已经装入到物理页面中。

1、进程用户空间描述

一个进程的用户地址空间由两个数据结构来描述。mm_struct结构对进程的整个用户空间进行描述，简称内存描述符；vm_area_struct结构对用户空间中各个区间（虚存区）进行描述（未初始化数据区、数据区以及堆栈区）。

1）mm_struct结构

mm_struct结构用来描述一个进程的虚拟地址空间，该结构用来描述进程的整个用户空间。

struct mm_struct {
   struct vm_area_struct *mmap;       /* list of VMAs */
   struct rb_root mm_rb;
   u32 vmacache_seqnum; /* per-thread vmacache */
#ifdef CONFIG_MMU
   unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
               unsigned long addr, unsigned long len,
               unsigned long pgoff, unsigned long flags);
#endif
   unsigned long mmap_base;       /* base of mmap area */
   unsigned long mmap_legacy_base; /* base of mmap area in bottom-up allocations */
   unsigned long task_size;       /* size of task vm space */
   unsigned long highest_vm_end;       /* highest vma end address */
   pgd_t * pgd;
   atomic_t mm_users;           /* How many users with user space? */
   atomic_t mm_count;           /* How many references to "struct mm_struct" (users count as 1) */
   atomic_long_t nr_ptes;           /* PTE page table pages */
#if CONFIG_PGTABLE_LEVELS > 2
   atomic_long_t nr_pmds;           /* PMD page table pages */
#endif
   int map_count;               /* number of VMAs */

spinlock_t page_table_lock; /* Protects page tables and some counters */
struct rw_semaphore mmap_sem;

   struct list_head mmlist;       /* List of maybe swapped mm's.   These are globally strung
                       * together off init_mm.mmlist, and are protected
                       * by mmlist_lock
                       */

unsigned long hiwater_rss; /* High-watermark of RSS usage */
unsigned long hiwater_vm; /* High-water virtual memory usage */

   unsigned long total_vm;       /* Total pages mapped */
   unsigned long locked_vm;   /* Pages that have PG_mlocked set */
   unsigned long pinned_vm;   /* Refcount permanently increased */
   unsigned long shared_vm;   /* Shared pages (files) */
   unsigned long exec_vm;       /* VM_EXEC & ~VM_WRITE */
   unsigned long stack_vm;       /* VM_GROWSUP/DOWN */
   unsigned long def_flags;
   unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data;
   unsigned long start_brk, brk, start_stack;
   unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end;