虛擬地址空間布局架構(Linux內核學習)

1.Linux內核整體架構及子系統

內核對下管理硬體,對上通過運行時庫對應用提供服務

1. 用戶空間

   使用malloc()分配記憶體通過free()釋放記憶體

2. 內核空間

   虛擬行程負責從行程的虛擬地址空間分配虛擬頁,sys_brk來擴大或收縮堆,sys_mmap負責在記憶體映射區分配虛擬頁,

   頁分配器負責分配物理頁

   不連續記憶體分配器提供分配記憶體的介面vmalloc和釋放記憶體介面vfree,申請連續的物理頁的成功率比較低,可以申請不連續的物理頁,r然后映射到連續的虛擬頁,及虛擬地址連續而物理地址不連續

   記憶體控制組來控制行程占用的資源,當記憶體碎片化的時候,找不到連續的物理頁,記憶體碎片整理通過遷移方式得到連續的物理頁,當記憶體不足的時候,負責回收物理頁

3. 硬體

   MMU¹包含一個頁表快取,保存最近使用過的頁表映射,避免每次都要查詢虛擬頁對應的物理頁,解決了CPU執行速度與記憶體速度不匹配的問題

來個例子:

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
constexpr int MAX = 1024;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    /*
    sbrk函式在內核的管理下將虛擬地址空間映射到記憶體，供malloc函式使用，
    */
    void *p = sbrk(0);
    void *old = p;

    p = (int *)sbrk(MAX * MAX);
    if (p == (void *)(-1))
    {
        std::cout << "sbrk error\n";
        exit(0);
    }
    printf("old:%p\tp=%p\n", p, old);

    void *new_ = sbrk(0);
    printf("new:%p", new_);
    sbrk(-MAX * MAX);

    return 0;
}

輸出

old:0x55555557a000      p=0x55555557a000
new:0x55555567a000

可見成功分配了新的記憶體.

那我們如何更加具體的看到是否獲取了記憶體呢?

更改代碼如下:

#include <iostream>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
constexpr int MAX = 1024;

int main(int argc, char const *argv[])
{
    /*
    sbrk函式在內核的管理下將虛擬地址空間映射到記憶體，供malloc函式使用，
    */
    void *p = sbrk(0);
    void *old = p;

    p = (int *)sbrk(MAX * MAX);
    if (p == (void *)(-1))
    {
        std::cout << "sbrk error\n";
        exit(0);
    }
    printf("old:%p\tp=%p\n", p, old);

    void *new_ = sbrk(0);
    printf("new:%p\n", new_);

    printf("pid= %d\n", getpid());

    while (true)
    {
    }

    sbrk(-MAX * MAX);

    return 0;
}

運行,不要停止

輸出為:

old:0x55555557a000      p=0x55555557a000
new:0x55555567a000
pid= 1193

打開新終端輸入cat /proc/1193/maps(一切皆檔案)查看記憶體情況:

后續就不在演示了(懶)

2.虛擬記憶體空間記憶體架構

linux-4.4.4\arch\arm64\include\asm\memory.h

#define TASK_SIZE_64		(UL(1) << VA_BITS)//64位作業系統  //VA_BITS 編譯內核的時候選擇的虛擬地址的位數

#ifdef CONFIG_COMPAT
#define TASK_SIZE_32		UL(0x100000000)    //32位作業系統

行程的用戶虛擬地址空間包含區域:代碼段、資料段、未初始化資料段;
動態庫的代碼段、資料段和未初始化資料段;存放動態生成的資料的堆;
存放區域變數和實作函式呼叫的堆疊;
把檔案區間映射到虛擬地址空間的記憶體映射區域;存放在堆疊底部的環境變數和引數字串，

部分內核代碼:

struct mm_struct {
	struct vm_area_struct *mmap;//虛擬記憶體區域鏈表		/* list of VMAs */
	struct rb_root mm_rb;//虛擬記憶體區紅黑樹
	u32 vmacache_seqnum;                   /* per-thread vmacache */
#ifdef CONFIG_MMU    //在記憶體映射區找到一個沒有映射的區域
	unsigned long (*get_unmapped_area) (struct file *filp,
				unsigned long addr, unsigned long len,
				unsigned long pgoff, unsigned long flags);
    unsigned long mmap_base;	//記憶體映射區起始地址	/* base of mmap area */
	unsigned long mmap_legacy_base;         /* base of mmap area in bottom-up allocations */
	unsigned long task_size;	//用戶虛擬空間長度	/* size of task vm space */
	unsigned long highest_vm_end;		/* highest vma end address */
	pgd_t * pgd;
	atomic_t mm_users;	//共享一個用戶虛擬空間的行程數量,行程包含的執行緒的數量		/* 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;	
    unsigned long hiwater_rss;//行程所擁有的最大頁框數	/* High-watermark of RSS usage */
	unsigned long hiwater_vm;	// 最大頁數/* High-water virtual memory usage */

	unsigned long total_vm;	//行程頁數	/* Total pages mapped */
	unsigned long locked_vm;//鎖住不能交換的頁數	/* 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;//代碼段起始結束,資料段起始結束
	unsigned long start_brk, brk, start_stack;//堆 堆疊的起始地址

未完待續