深入淺出Linux的進程地址空間

我們知道，在32位機器上linux操作系統(tǒng)中的進程的地址空間大小是4G，其中0-3G是用戶空間，3G-4G是內(nèi)核空間。其實，這個4G的地址空間是不存在的，也就是我們所說的虛擬內(nèi)存空間。

那虛擬內(nèi)存空間是什么呢，它與實際物理內(nèi)存空間又是怎樣對應的呢，為什么有了虛擬內(nèi)存技術(shù)，我們就能運行比實際物理內(nèi)存大的應用程序，它是怎么做到的呢？呵呵，這一切的一切都是個迷呀，下面我們就一步一步解開心中的謎團吧！

我們來看看，當我們寫好一個應用程序，編譯后它都有什么東東？

例如：

用命令size a.out會得到：

其中text是放的是代碼，data放的是初始化過的全局變量或靜態(tài)變量，bss放的是未初始化的全局變量或靜態(tài)變量。

由于歷史原因，C程序一直由下列幾部分組成：

A、正文段。這是由cpu執(zhí)行的機器指令部分。通常，正文段是可共享的，所以即使是經(jīng)常執(zhí)行的程序（如文本編輯程序、C編譯程序、shell等）在存儲器中也只需要有一個副本，另外，正文段常常是只讀的，以防止程序由于意外事故而修改器自身的指令。

B、初始化數(shù)據(jù)段。通常將此段稱為數(shù)據(jù)段，它包含了程序中需賦初值的變量。例如，C程序中任何函數(shù)之外的說明：

int maxcount = 99；（全局變量）

C、非初始化數(shù)據(jù)段。通常將此段稱為bss段，這一名稱來源于早期匯編程序的一個操作，意思是“block started by symbol”，在程序開始執(zhí)行之前，內(nèi)核將此段初始化為0。函數(shù)外的說明：

long sum［1000］；

使此變量存放在非初始化數(shù)據(jù)段中。

D、棧。自動變量以及每次函數(shù)調(diào)用時所需保存的信息都存放在此段中。每次函數(shù)調(diào)用時，其返回地址、以及調(diào)用者的環(huán)境信息（例如某些機器寄存器）都存放在棧中。然后，新被調(diào)用的函數(shù)在棧上為其自動和臨時變量分配存儲空間。通過以這種方式使用棧，C函數(shù)可以遞歸調(diào)用。

E、堆。通常在堆中進行動態(tài)存儲分配。由于歷史上形成的慣例，堆位于非初始化數(shù)據(jù)段頂和棧底之間。

從上圖我們看到?？臻g是下增長的，堆空間是從下增長的，他們會會碰頭呀？一般不會，因為他們之間間隔很大，如：

#include 《stdio.h》

#include 《stdlib.h》

int bss_var;

int data_var0 = 1;

int main（）

{

printf（“Test location：\n”）;

printf（“\tAddress of main（Code Segment）：%p\n”，main）;

printf（“_____________________________________\n”）;

int stack_var0 = 2;

printf（“Stack location：\n”）;

printf（“\tInitial end of stack：%p\n”，&stack_var0）;

int stack_var1 = 3;

printf（“\tNew end of stack：%p\n”，&stack_var1）;

printf（“_____________________________________\n”）;

printf（“Data location：\n”）;

printf（“\tAddress of data_var（Data Segment）：%p\n”，&data_var0）;

static int data_var1 = 4;

printf（“\tNew end of data_var（Data Segment）：%p\n”，&data_var1）;

printf（“_____________________________________\n”）;

printf（“BSS location：\n”）;

printf（“\tAddress of bss_var：%p\n”，&bss_var）;

printf（“_____________________________________\n”）;

printf（“Heap location：\n”）;

char *p = （char *）malloc（10）;

printf（“\tAddress of head_var：%p\n”，p）;

return 0;

}

運行結(jié)果如下：

呵呵，這里我們看到地址了，這個地址是虛擬地址，這些地址時怎么來的呢？其實在我們編譯的時候，這些地址就已經(jīng)確定了，如下圖中紅線。

也就是說，我們不論我們運行a.out程序多少次這些地址都是一樣的。我們知道，linux操作系統(tǒng)每個進程的地址空間都是獨立的，其實這里的獨立說得是物理空間上得獨立。那相同的虛擬地址，不同的物理地址，他們之間是怎樣聯(lián)系起來的呢？我們繼續(xù)探究。。.。

在linux操作系統(tǒng)中，每個進程都通過一個task_struct的結(jié)構(gòu)體描敘，每個進程的地址空間都通過一個mm_struct描敘，c語言中的每個段空間都通過vm_area_struct表示，他們關(guān)系如下 ：

當運行一個程序時，操作系統(tǒng)需要創(chuàng)建一個進程，這個進程和程序之間都干了些什么呢？

當一個程序被執(zhí)行時，該程序的內(nèi)容必須被放到進程的虛擬地址空間，對于可執(zhí)行程序的共享庫也是如此?？蓤?zhí)行程序并非真正讀到物理內(nèi)存中，而只是鏈接到進程的虛擬內(nèi)存中。

當一個可執(zhí)行程序映射到進程虛擬地址空間時，一組vm_area_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)將被產(chǎn)生。每個vm_area_struct數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示可執(zhí)行印象的一部分；是可執(zhí)行代碼，或是初始化的數(shù)據(jù)，以及未初始化的數(shù)據(jù)等。

linux操作系統(tǒng)是通過sys_exec對可執(zhí)行文件進行映射以及讀取的，有如下幾步：

1、創(chuàng)建一組vm_area_struct；

2、圈定一個虛擬用戶空間，將其起始結(jié)束地址（elf段中已設(shè)置好）保存到vm_start和vm_end中；

3、將磁盤file句柄保存在vm_file中；

4、將對應段在磁盤file中的偏移值（elf段中已設(shè)置好）保存在vm_pgoff中；

5、將操作該磁盤file的磁盤操作函數(shù)保存在vm_ops中；

注意：這里沒有對應 的頁目錄表項創(chuàng)建頁表，更不存在設(shè)置頁表項了。

假設(shè)現(xiàn)在程序中有一條指令需要讀取上面vm_start--vm_end之間的某內(nèi)容

例如：mov ［0x08000011］，%eax，那么將會執(zhí)行如下序列：

1、cpu依據(jù)CR3（current-》pgd）找到0x08000011地址對應的pgd［i］，由于該pgd［i］內(nèi)容保持為初始化狀態(tài)即為0，導致cpu異常。

2、.do_page_fault被調(diào)用，在該函數(shù)中，為pgd［i］在內(nèi)存中分配一個頁表，并讓該表項指向它，如下圖所示：

注意：這里i為0x08000011高10位，j為其中間10位，此時pt表項全部為0（pte［j］也為0）；

3、為pte［j］分配一個真正的物理內(nèi)存頁面，依據(jù)vm_area_struct中的vm_file、vm_pgoff和vm_ops，調(diào)用filemap_nopage將磁盤file中vm_pgoff偏移處的內(nèi)容讀入到該物理頁面中，如下圖所示：

①分配物理內(nèi)存頁面；

②從磁盤文件中將內(nèi)容讀取到物理內(nèi)存頁面中

從上面我們可以知道，在進程創(chuàng)建的過程中，程序內(nèi)容被映射到進程的虛擬內(nèi)存空間，為了讓一個很大的程序在有限的物理內(nèi)存空間運行，我們可以把這個程序的開始部分先加載到物理內(nèi)存空間運行，因為操作系統(tǒng)處理的是進程的虛擬地址，如果在進行虛擬到物理地址的轉(zhuǎn)換工程中，發(fā)現(xiàn)物理地址不存在時，這個時候就會發(fā)生缺頁異常（nopage），接著操作系統(tǒng)就會把磁盤上還沒有加載到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)加載到物理內(nèi)存中，對應的進程頁表進行更新。也許你會問，如果此時物理內(nèi)存滿了，操作系統(tǒng)將如何處理？

下面我們看看linux操作系統(tǒng)是如何處理的：

如果一個進程想將一個虛擬頁裝入物理內(nèi)存，而又沒有可使用的空閑物理頁，操作系統(tǒng)就必須淘汰物理內(nèi)存中的其他頁來為此頁騰出空間。

在linux操作系統(tǒng)中，物理頁的描敘如下：

struct mem_map

{

1、本頁使用計數(shù)，當該頁被許多進程共享時計數(shù)將大于1

2、age描敘本頁的年齡，用來判斷該頁是否為淘汰或交換的好候選

3、map_nr描敘物理頁的頁幀號

}

如果從物理內(nèi)存中被淘汰的頁來自于一個映像或數(shù)據(jù)文件，并且還沒有被寫過，則該頁不必保存，它可以丟掉。如果有進程在需要該頁時就可以把它從映像或數(shù)據(jù)文件中取回內(nèi)存。

然而，如果該頁被修改過，操作系統(tǒng)必須保留該頁的內(nèi)容以便晚些時候在被訪問。這種頁稱為“臟（dirty）頁”，當它被從內(nèi)存中刪除時，將被保存在一個稱為交換文件的特殊文件中。

相對于處理器和物理內(nèi)存的速度，訪問交換文件要很長時間，操作系統(tǒng)必須在將頁寫到磁盤以及再次使用時取回內(nèi)存的問題上花費心機。

如果用來決定哪一頁被淘汰或交換的算法不夠高效的話，就可能出現(xiàn)稱為“抖動”的情況。在這種情況下，頁面總是被寫到磁盤又讀回來，操作系統(tǒng)忙于此而不能進行真正的工作。

linux使用“最近最少使用（Least Recently Used ，LRU）”頁面調(diào)度技巧來公平地選擇哪個頁可以從系統(tǒng)中刪除。這種設(shè)計系統(tǒng)中每個頁都有一個“年齡”，年齡隨頁面被訪問而改變。頁面被訪問越多它越年輕；被訪問越少越老。年老的頁是用于交換的最佳候選頁。