Linux进程地址空间的使用及说明

进程地址空间

进程地址空间在内核中使用 vm_area_struct 数据结构来描述，简称 VMA，表示进程地址空间或进程线性区。

由于这些地址空间属于各个用户进程，因此在用户进程的 mm_struct 数据结构中有相应的成员，用于对这些 VMA 进行管理。

内存区域

进程地址空间（process address space）是指进程可寻址的虚拟地址空间，进程可以通过内核的内存管理机制动态地添加和删除内存区域，这些内存区域在 Linux 内核采用 VMA 数据结构来抽象描述。

每个内存区域具有相关的权限，如可读、可写或者可执行权限。若一个进程访问了不在有效范围的内存区域，或者非法访问了内存区域，或者以不正确的方式访问了内存区域，那么处理器会报告缺页异常。

在 Linux 内核的缺页异常处理中会处理这些情况，严重的会报告“SegmentFault'”并终止该进程。

内存区域主要包含内容如下：

• 代码段映射：可执行文件中包含只读并可执行的程序头，如代码段和 init 段等
• 数据段映射：可执行文件中包含可读/可写的程序头，如数据段和未初始化数据段等
• 用户进程栈：通常位于用户空间的最高地址，从上往下延伸。它包含栈帧，里面包含了局部变量和函数调用参数等
• mmap 映射区域：位于用户进程栈下面，主要用于 mmap 系统调用
• 堆映射区域：malloc() 函数分配的进程虚拟地址就是这段区域

每个进程都有一套页表，这样每个进程地址空间就是相互隔离的。即使两个进程地址空间的虚拟地址是相同的，但是经过两套不同页表的转换之后，它们也会对应不同的物理地址。

mm_struct 数据结构

Linux 内核需要管理每个进程所有的内存区域以及它们对应的页表映射，所以必须抽象出一个数据结构，这就是 mm_struct 数据结构。

进程控制块（Process Control Block，PCB）数据结构 task_struct 中有一个指针 mm，该指针指向这个 mm_struct 数据结构。mm_struct 数据结构定义在 include/linux/mm_types.h 文件中，下面是它的主要成员。

mm_struct 数据结构中主要成员的含义如下：

• mmap：进程里所有的 VMA 形成一个单链表，这是该链表的头
• mmrb：VMA 红黑树的根节点
• get_unmapped_area：用于判断虚拟内存空间是否有足够的空间，返回一段没有映射过的空间的起始地址，这个函数会使用具体的处理器架构的实现
• mmap_base：指向 mmap 空间的起始地址。在 32 位处理器中，mmap 空间的起始地是 0x4000 0000
• pgd：指向进程的 PGD（一级页表）
• mm_users：记录正在使用该进程地址空间的进程数目，如果两个线程共享该地址空间那么 mm_users 的值等于 2
• mm_count：mm_struct 结构体的主引用计数
• mmap_sem：保护 VMA 的一个读写信号量
• mmlist：所有的 mm_struct 数据结构都连接到一个双向链表中，该链表的头是 init_mm 内存描述符，它是 init 进程的地址空间
• start_code，end_code：代码段的起始地址和结束地址
• start_data，end_data：数据段的起始地址和结束地址
• start_brk：堆空间的起始地址
• brk：表示当前堆中的 VMA 的结束地址
• total_vm：已经使用的进程地址空间总和

从进程的角度来观察内存管理，可以沿着 mm_struct 数据结构进行延伸和思考，如下图所示。

VMA 数据结构

VMA（vm_area_struct）数据结构定义在 mm_types.h 文件中，其主要成员如下。

VMA 数据结构中各个成员的含义如下：

• vm_start 和 vm_end：指定 VMA 在进程地址空间的起始地址和结束地址
• vm_next和 vm_prev：进程的 VMA 都连接成一个链表
• vmrb：VMA 作为一个节点加入红黑树，每个进程的 mm_struct 数据结构中都有一棵红黑树 mm->mm_rb
• vm_mm：指向该 VMA 所属进程的 mm_struct 数据结构
• vm_page_prot：VMA 的访问权限
• vm_flags：描述该 VMA 的一组标志位
• anon_vma_chain 和 anon_vma：用于管理反向映射（Reverse Mapping，RMAP）
• vm_ops：指向许多方法的集合，这些方法用于在 VMA 中执行各种操作，通常用于文件映射
• vm_pgoff：指定文件映射的偏移量，这个变量的单位不是字节，而是页面的大小件映射。（PAGE SIZE）。对于匿名页面来说，它的值可以是 0 或者 vm_addr/PAGE_SIZE
• vm_file：指向 file 的实例，描述一个被映射的文件

mm_struct 数据结构是描述进程内存管理的核心数据结构，该数据结构提供了管理 VMA 所需要的信息，每个 VMA 都要连接到 mm_struct 中的链表和红黑树，以方便查找。

VMA 按照起始地址以递增的方式插入 mm_struct->mmp 链表中。

当进程拥有大量的 VMA 时，扫描链表和查找特定的 VMA 是非常低效的操作，如在云计算的机器中，所以内核中通常需要红黑树来协助，以便提高查找速度。

站在进程的角度来看，我们可以从进程控制块。task_struct 数据结构里顺藤摸瓜找到该进程所有的 VMA，如图所示。

• task_struct 结结构中有一个 mm 成员指向进程的内存管理描述符 mm_struct 数据结构
• 可以通过 mm_struct 数据结构中的 mmap 成员来遍历所有的 VMA
• 也可以通过 mm_struct 数据结构中的 mm_rb 成员来遍历和查找 VMA
• mm_struct 数据结构的 pgd 成员指向进程的页表，每个进程都有一份独立的页表
• 当 CPU 第一次访问虚拟地址空间时会触发缺页异常。在缺页异常处理中，分配物理页面，利用分配的物理页面来创建页表项并且填充页表，完成虚拟地址到物理地址的映射关系的建立

VMA 的属性

作为一个进程地址空间的区间，VMA 是有属性的，如可读/可写、共享等属性。

vm_flags 成员描述这些属性，描述了该 VMA 的全部页面信息，包括如何映射页面、访问每个页面的权限等信息，VMA 属性的标志位如下所示。

• VM_READ: 可读属性
• VM_WRITE: 可写属性
• VM_EXEC: 可执行
• VM_SHARED: 允许被多个进程共享
• VM_MAYREAD: 允许设置 VM_READ 属性
• VM_MAYWRITE: 允许设置 VM WRITE 属性
• VM_MAYEXEC: 允许设置 VM EXEC 属性
• VM_MAYSHARE: 允许设置 VM SHARED 属性
• VM_GROWSDOWN: 该 VMA 允许向低地址增长
• VM_UFFD_MISSING: 表示该 VMA 适用于用户态的缺页异常处理
• VM_PFNMAP: 表示使用纯正的 PFN，不需要使用内核的 page 数据结构来管理物理页面
• VM_DENYWRITE: 表示不允许写入
• VM_UFFD_WP: 用于页面的写保护跟踪
• VM_LOCKED: 表示该 VMA 的内存会立刻分配物理内存，并且页面被锁定，不会被交换到交换分区
• VM_IO: 表示 I/0 内存映射
• VM_SEQ_READ: 表示应用程序会顺序读该 VMA 的内容
• VM_RAND_READ: 表示应用程序会随机读该 VMA 的内容
• VM_DONTCOPY: 表示在创建分支时不要复制该 VMA
• VM_DONTEXPAND: 通过 mremapo 系统调用禁止 VMA 扩展
• VM_ACCOUNT: 在创建 IPC 以共享 VMA 时，检测是否有足够的空闲内存用于映射
• VM_HUGETLB: 用于巨页的映射
• VM_SYNC: 表示同步的缺页异常
• VM_ARCH_1: 与架构相关的标志位
• VM_WIPEONFORK: 表示不会从父进程相应的 VMA 中复制页表到子进程的 VMA 中
• VM_DONTDUMP: 表示该 VMA 不包含到核心转储文件中
• VM_SOFTDIRTY: 软件模拟实现的脏位。用于一些特殊的架构，需要打开 CONFIG_MEM_SOFT_DIRTY
• VM_MIXEDMAP: 表示混合使用了纯 PFN 以及 page 数据结构的页面，如使用 vm_insert_page() 函数插入 VMA
• VM_HUGEPAGE: 表示在 madvise 系统调用中使用 MADV_HUGEPAGE 标志位来标记该 VMA
• VM_NOHUGEPAGE: 表示在 madvise 系统调用中使用 MADV_NOHUGEPAGE 标志位来标记该 VMA
• VM_MERGEABLE: 表示该 VMA 是可以合并的，用于 KSM 机制
• VM_SPECIAL: 表示该 VMA 是不可以合并的

VMA 属性的标志位可以任意组合，但是最终要落实到硬件机制上，即页表项的属性中。VMA 属性到页表属性的转换如下图所示。vm_area_struct 数据结构中有两个成员和属性相关：一个是 vm_flags 成员，用于描述 VMA 的属性；另外一个是 vm_page_prot 成员，用于将 VMA 属性标志位转换成与处理器相关的页表项的属性，它和具体架构相关。

在创建一个新的 VMA 时使用 vm_get_page_prot() 函数可以把 vm_flags 标志位转化成具页表项的硬件标志位。

这个转化过程得益于内核预先定义了一个内存属性数组 protection_map[], 我们只需要根据 vm_flag 标志位来查询这个数组即可，在这个场景下，通过查询 protection_map[] 数组可以获得页表属性。

protection_map[] 数组的每个成员代表一个属性的组合，如__P000 表示无效的 PTE 属性，__P001 表示只读属性，__P1O0 表示可执行属性（PAGE_EXECONLY）等。

下面以只读属性（PAGE_READONLY）来看，它究竟包含哪些页表项的标志位。

把上述的宏全部展开，我们可以得到如下页表项的标志位。

• PTE_TYPE_PAGE：表示这是一个基于页面的页表项，即设置页表项的 Bit[1:O]
• PTE_AF：设置访问位
• PTE_SHARED：设置内存共享属性
• MT_NORMAL：设置内存属性为 normal
• PTE_USER：设置 AP 访问位，允许通过用户权限访问该内存
• PTE_NG：设置该内存对应的 TLB 只属于该进程
• PTE_PXN：表示该内存不能在特权模式下执行
• PTE_UXN：表示该内存不能在用户模式下执行
• PTE_RDONLY：表示只读属性

内核如何管理内存

Linux 进程在内核中作为进程描述符 task_struct 的实例实现。task_struct 中的 mm 字段指向内存描述符 mm_struct ，它是程序内存的执行内容。它存储了如上所示的内存段的开始和结束、进程使用的物理内存页数（rss 代表 Resident Set Size）、使用的虚拟地址空间 以及其他信息。

每个虚拟内存区域（VMA）是一个连续的虚拟地址范围；这些区域永远不会重叠。vm_area_struct 的实例完整地描述了一个内存区域，包括其起始和结束地址、用于确定访问权限和行为的标志，以及用于指定该区域映射的文件（如果有）的 vm_file 字段。不映射文件的 VMA 是匿名的。除了内存映射段之外，上面的每个内存段（例如，堆、堆栈）对应于单个 VMA。这不是必需的，尽管这在 x86 机器中很常见。VMA 不关心它们位于哪个段。 程序的 VMA 都以链表形式存储在其内存描述符中 mmap 字段，按起始虚拟地址排序，并作为以 mm_rb 字段为根的红黑树 。红黑树允许内核快速搜索覆盖给定虚拟地址的内存区域。当您读取文件/proc/pid_of_process/maps 时，内核只是遍历进程的 VMA 链接列表并打印每一个 VMA。

VMA 的大小必须是页面大小的倍数。处理器查阅页表以将虚拟地址转换为物理内存地址。每个进程都有自己的一组页表；每当发生进程切换时，用户空间的页表也会切换。Linux 在内存描述符的 pgd 字段中存储指向进程页表的指针。页表中的每个虚拟页都对应一个页表项 (PTE)，在常规 x86 分页中，它是一个简单的 4 字节记录，如下所示：

malloc函数

malloc() 函数是 C 标准库封装的一个核心函数，C 标准库做一些处理后会调用 Linux 的系线调用接口 brk 向系统申请内存。

brk 系统调用

brk 系统调用主要实现在 mm/mmap.c 文件中。

详细流程这里不一一列出来了，下面用一张图概括 brk 的流程，如下：

malloc流程

假设不考虑 libc 的因素，malloc() 分配 100 字节，那么内核会分配多少字节呢？处理器的 MMU 的最小处理单元是页面，所以内核分配内存、建立虚拟地址和物理地址映射关系都以页面为单位，PAGE_ALIGN（addr）宏让地址按页面大小对齐。

下图所示为 malloc() 函数的实现流程。

mmap函数

mmap/munmap 函数是用户空间中常用的系统调用函数，无论是在用户程序中分配内存、读写大文件、链接动态库文件，还是多进程间共享内存，都可以看到 mmp/munmap() 函数的身影。mmp/munmap 函数的声明如下。

mmap/munmap 函数的参数如下。

• addr：用于指定映射到进程地址空间的起始地址，为了提高应用程序的可移植性，一般设置为 NULL，让内核来分配一个合适的地址
• length：表示映射到进程地址空间的大小
• prot：用于设置内存映射区域的读写属性等
• flags：用于设置内存映射的属性，如共享映射、私有映射等
• fd：表示这是一个文件映射，fd 是打开的文件的句柄
• offset：在文件映射时，表示文件的偏移量。prot 参数通常表示映射页面的读写权限，有如下参数组合
• PROT_EXEC：表示映射的页面是可以执行的
• PROT_READ：表示映射的页面是可以读取的
• PROT_WRITE：表示映射的页面是可以写入的
• PROT_NONE：表示映射的页面是不可访问的

flags 参数是一个很重要的参数，可以设置为以下值。

• MAP_SHARED：创建一个共享映射的区域。多个进程可以通过共享映射方式来映射一个文件，这样其他进程也可以看到映射内容的改变，修改后的内容会同步到磁盘文件中
• MAP_PRIVATE：创建一个私有的写时复制的映射。多个进程可以通过私有映射的方式来映射一个文件，这样其他进程不会看到映射内容的改变，修改后的内容也不会同步到磁盘文件中
• MAP_ANONYMOUS：创建一个匿名映射，即没有关联到文件的映射
• MAP_FIXED：使用参数 addr 创建映射，如果在内核中无法映射指定的地址，那么 mmap 会返回失败，参数 addr 要求按页对齐。如果 addr 和 length 指定的进程地址空间和已有的 VMA 重叠，那么内核会调用 do_munmapO 函数把这段重叠区域销毁，然后重新映射新的内容
• MAP_POPULATE：对于文件映射来说，会提前预读文件内容到映射区域，该特性只支持私用映射

通过参数 fd 可以看出 mmap 映射是否和文件相关联，因此在 Linux 内核中，映射可以分成匿名映射和文件映射。

• 匿名映射：没有映射对应的相关文件，匿名映射的内存区域的内容会初始化为 0
• 文件映射：映射和实际文件相关联，通常把文件内容映射到进程地址空间，这样应用程序就可以像操作进程地址空间一样读写文件

私有匿名映射

当使用参数 fd=-1 且 flags = MAP_ANONYMOUS|MAP_PRIVATE 时，创建的 mmap 映射是私有匿名映射。

私有匿名映射常见的用途是在 glbc 分配大内存块时，如果需要分配的内存大 MMAP_THREASHOLD（128KB），glibc 会默认使用 mmap 代替 brk 来分配内存。

共享匿名映射

当使用参数 fd=-1 且 flags = MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED 时，创建的 mmap 映射是共享匿名映射。

共享匿名映射让相关进程共享一块内存区域，通常用于父、子进程之间的通信创建共享匿名映射有如下两种方式。

• 使 fd=-1 且 flags = MAP_ANONYMOUS | MAP_SHARED。在这种情况下，do_mmap_pgoffO->mmap_region() 函数最终会调用 shmem_zero_setup()：来打开一个特殊的“/dev/zero”设备文件
• 直接打开“/dev/zero”设备文件，然后使用这个文件句柄来创建 mmap

上述两种方式最终都调用 shmem 模块来创建共享匿名映射。

私有文件映射

创建文件射时如果 flags 设置为 MAPP_PRIVATE，就会创建私有文件映射。

私有文件映射常用的场景是加载动态共享库。

共享文件映射

创建文件映射时，如果 flags 设置为 MAP_SHARED，就会创建共享文件映射。

如果 prot 参数指定了 PROT_WRITE，那么打开文件时需要指定 O_RDWR 标志位。共享文件映射通常有 mmap 如下两个常用的场景。

• 读写文件。把文件内容映射到进程地址空间，同时对映射的内容做了修改，内核的回写（writeback）机制最终会把修改的内容同步到磁盘中
• 进程间通信。进程之间的进程地址空间相互隔离，一个进程不能访问另外一个进程的地址空间。如果多个进程同时映射到一个文件，就实现了多进程间的共享内存通信。如果一个进程对映射内容做了修改，那么另外的进程是可以看到的

总结

mmap 机制在 Linux 内核中实现的代码框架和 brk 机制非常类似，其中有很多关于 VMA 的操作。

mmap 机制和缺页中断机制结合在一起会变得复杂很多。

mmap 机制在 Linux 内核中的实现流程如图所示。

以上为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持脚本之家。

最新评论