用户态与内核态的划分

• 进程的虚拟地址空间，就是换了个角度看内存。
• 整个虚拟内存要一分为二， 一部分是内存态地址空间，一部分是内核态的内存空间
• 32位系统，最大寻址是2^32 = 4G，其中用户态虚拟地址空间是3G, 内核态是1G。
• 64位系统，虚拟地址只使用了 48位， 1 >> 47 相当于 47 ^2 ，也就是内核态和用户态各自拥有128T.
  

用户态的布局

unsigned long mmap_base;	/* base of mmap area */
unsigned long total_vm;		/* total_vm 是总共映射的页的数目 */
unsigned long locked_vm;	/* Pages that have PG_mlocked set */
unsigned long pinned_vm;	/* Refcount permanently increased */
unsigned long data_vm;		/* VM_WRITE & ~VM_SHARED & ~VM_STACK */
unsigned long exec_vm;		/* VM_EXEC & ~VM_WRITE & ~VM_STACK */
unsigned long stack_vm;		/* VM_STACK */
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;
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• total_vm 是总共映射的页的数目,内存吃紧的时候,locked_vm 就是被锁定不能换出，pinned_vm 是不能换出，也不能移动。 换出 ： 把内存写到硬盘

• data_vm 是存放数据的页的数目，exec_vm 是存放可执行文件的页的数目，stack_vm 是栈所占的页的数目。

• start_code 和 end_code 表示可执行代码的开始和结束位置，start_data 和 end_data 表示已初始化数据的开始位置和结束位置。

• start_brk 是堆的起始位置，brk 是堆当前的结束位置。前面咱们讲过 malloc 申请一小块内存的话，就是通过改变 brk 位置实现的。

• start_stack 是栈的起始位置，栈的结束位置在寄存器的栈顶指针中。

• arg_start 和 arg_end 是参数列表的位置， env_start 和 env_end 是环境变量的位置。它们都位于栈中最高地址的地方。

• mmap_base 表示虚拟地址空间中用于内存映射的起始地址。这个空间是从高地址到低地址增长的。
  

• 这里用红黑树，就是为了快速查找一个内存区域，并在需要改变的时候，能够快速修改

• anoy 就是 anonymous，匿名的意思，映射到文件就需要有 vm_file 指定被映射的文件。

• 当 exec 运行一个二进制程序的时候，除了解析 ELF 的格式之外，另外一个重要的事情就是建立内存映射。
  

• 内存映射图 ：
  

• 下面这俩种情况都会修改上面的映射关系

• 第一种情况是函数的调用，涉及函数栈的改变，主要是改变栈顶指针。

• 第二种情况是通过 malloc 申请一个堆内的空间，当然底层要么执行 brk，要么执行 mmap。关于内存映射的部分。

• brk （堆） : 堆是从低地址向高地址增长的, 会有新旧的brk堆顶地址， 需要比较，如果俩者相同的话，则说明在同一页，则修改堆顶地址就行，指向新的地址， 如果新的 < 旧的 则说明不在一页，至少需要释放一页。

• • brk 判断是否需要分配新页, 并做对应操作; 需要分配新页时需要判断能否与其他 vm_area_struct 合并

内核态的布局

32 位

64位

小结

• 内存管理信息在 task_struct 的 mm_struct 中
• task_size 指定用户态虚拟地址大小
  • 32 位系统：3G 用户态, 1G 内核态
  • 64 位系统(只利用 48 bit 地址): 128T 用户态; 128T 内核态
• 用户态地址空间布局和管理
  • mm_struct 中有映射页的统计信息(总页数, 锁定页数, 数据/代码/栈映射页数等)以及各区域地址
  • 有 vm_area_struct 描述各个区域(代码/数据/栈等)的属性(包含起始/终止地址, 可做的操作等), 通过链表和红黑树管理
  • 在 load_elf_bianry 时做 vm_area_struct 与各区域的映射, 并将 elf 映射到内存, 将依赖 so 添加到内存映射
  • 在函数调用时会修改栈顶指针; malloc 分配内存时会修改对应的区域信息(调用 brk 堆; 或调用 mmap 内存映射)
  • brk 判断是否需要分配新页, 并做对应操作; 需要分配新页时需要判断能否与其他 vm_area_struct 合并
• 内核地址空间布局和管理
  • 所有进程看到的内核虚拟地址空间是同一个
  • 32 位系统, 前 896MB 为直接映射区(虚拟地址 - 3G = 物理地址)
    • 直接映射区也需要建立页表, 通过虚拟地址访问(除了内存管理模块)
    • 直接映射区组成: 1MB 启动时占用; 然后是内核代码/全局变量/BSS等,即 内核 ELF文件内容; 进程 task_struct 即内核栈也在其中
    • 896MB 也称为高端内存(指物理内存)
    • 剩余虚拟空间组成: 8MB 空余; 内核动态映射空间(动态分配内存, 映射放在内核页表中); 持久内存映射(储存物理页信息); 固定内存映射; 临时内存映射(例如为进程映射文件时使用)
  • 64 位系统: 8T 空余; 64T 直接映射区域; 32T(动态映射); 1T(物理页描述结构 struct page); 512MB(内核代码, 也采用直接映射)
    32位
    
    64位