Linux進程地址空間--vma的基本操作

在32位的系統上，線性地址空間可達到4GB，這4GB一般按照3:1的比例進行分配，也就是說用戶進程享有前3GB線性地址空間，而內核獨享最後1GB線性地址空間。由於虛擬內存的引入，每個進程都可擁有3GB的虛擬內存，並且用戶進程之間的地址空間是互不可見、互不影響的，也就是說即使兩個進程對同一個地址進行操作，也不會產生問題。在前面介紹的一些分配內存的途徑中，無論是伙伴系統中分配頁的函數，還是slab分配器中分配對象的函數，它們都會盡量快速地響應內核的分配請求，將相應的內存提交給內核使用，而內核對待用戶空間顯然不能如此。用戶空間動態申請內存時往往只是獲得一塊線性地址的使用權，而並沒有將這塊線性地址區域與實際的物理內存對應上，只有當用戶空間真正操作申請的內存時，才會觸發一次缺頁異常，這時內核才會分配實際的物理內存給用戶空間。

用戶進程的虛擬地址空間包含了若干區域，這些區域的分布方式是特定於體系結構的，不過所有的方式都包含下列成分：

可執行文件的二進制代碼，也就是程序的代碼段

存儲全局變量的數據段

用於保存局部變量和實現函數調用的棧

環境變量和命令行參數

程序使用的動態庫的代碼

用於映射文件內容的區域

由此可以看到進程的虛擬內存空間會被分成不同的若干區域，每個區域都有其相關的屬性和用途，一個合法的地址總是落在某個區域當中的，這些區域也不會重疊。在linux內核中，這樣的區域被稱之為虛擬內存區域(virtual memory areas),簡稱vma。一個vma就是一塊連續的線性地址空間的抽象，它擁有自身的權限(可讀，可寫，可執行等等) ，每一個虛擬內存區域都由一個相關的struct vm_area_struct結構來描述

1. struct vm_area_struct {
2. struct mm_struct * vm_mm; /* 所屬的內存描述符 */
3. unsigned long vm_start; /* vma的起始地址 */
4. unsigned long vm_end; /* vma的結束地址 */
6. /* 該vma的在一個進程的vma鏈表中的前驅vma和後驅vma指針，鏈表中的vma都是按地址來排序的*/
7. struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;
9. pgprot_t vm_page_prot; /* vma的訪問權限 */
10. unsigned long vm_flags; /* 標識集 */
12. struct rb_node vm_rb; /* 紅黑樹中對應的節點 */
14. /*
15. * For areas with an address space and backing store,
16. * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or
17. * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or
18. * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list.
19. */
20. /* shared聯合體用於和address space關聯 */
21. union {
22. struct {
23. struct list_head list;/* 用於鏈入非線性映射的鏈表 */
24. void *parent; /* aligns with prio_tree_node parent */
25. struct vm_area_struct *head;
26. } vm_set;
28. struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;/*線性映射則鏈入i_mmap優先樹*/
29. } shared;
31. /*
32. * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma
33. * list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma
34. * can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack
35. * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list.
36. */
37. /*anno_vma_node和annon_vma用於管理源自匿名映射的共享頁*/
38. struct list_head anon_vma_node; /* Serialized by anon_vma->lock */
39. struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock */
41. /* Function pointers to deal with this struct. */
42. /*該vma上的各種標准操作函數指針集*/
43. const struct vm_operations_struct *vm_ops;
45. /* Information about our backing store: */
46. unsigned long vm_pgoff; /* 映射文件的偏移量，以PAGE_SIZE為單位 */
47. struct file * vm_file; /* 映射的文件，沒有則為NULL */
48. void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */
49. unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */
51. #ifndef CONFIG_MMU
52. struct vm_region *vm_region; /* NOMMU mapping region */
53. #endif
54. #ifdef CONFIG_NUMA
55. struct mempolicy *vm_policy; /* NUMA policy for the VMA */
56. #endif
57. };