前言

程序中编写业务逻辑代码的时候，往往需要引用这些创建出来的数据结构，并通过这些引用对相关数据结构进行业务处理。当程序运行起来之后就变成了进程，而这些业务数据结构的引用在进程的视角里全都都是虚拟内存地址，因为进程无论是在用户态还是在内核态能够看到的都是虚拟内存空间，物理内存空间被操作系统所屏蔽进程是看不到的。进程通过虚拟内存地址访问这些数据结构的时候，虚拟内存地址会在内存管理子系统中被转换成物理内存地址，通过物理内存地址就可以访问到真正存储这些数据结构的物理内存了。随后就可以对这块物理内存进行各种业务操作，从而完成业务逻辑。

本篇主要介绍：

1. 到底什么是虚拟内存地址

首先，地址这一概念就是用来定位的，比如生活中的收货地址，但是我们的地址名称可能会随着时间而变化，但是真实的物理环境却很难有改变。把视角转到计算机中，在计算机的世界里内存地址用来定义数据在内存中的存储位置的，内存地址也分为虚拟地址和物理地址。而虚拟地址也是人为设计的一个概念，类比我们现实世界中的收货地址，而物理地址则是数据在物理内存中的真实存储位置，类比现实世界中的城市，街道，小区的真实地理位置。

图片不见了哟~

进程虚拟内存空间中的每一个字节都有与其对应的虚拟内存地址，一个虚拟内存地址表示进程虚拟内存空间中的一个特定的字节。

2. 为什么要使用虚拟地址访问内存

经过第一小节的介绍，既然物理内存地址可以直接定位到数据在内存中的存储位置，那为什么我们不直接使用物理内存地址去访问内存而是选择用虚拟内存地址去访问内存呢？

好，我们就来看看直接使用物理内存地址会怎么样：假设现在没有虚拟内存地址，我们在程序中对内存的操作全都都是使用物理内存地址，在这种情况下，程序员就需要精确的知道每一个变量在内存中的具体位置，我们需要手动对物理内存进行布局，明确哪些数据存储在内存的哪些位置，除此之外我们还需要考虑为每个进程究竟要分配多少内存？内存紧张的时候该怎么办？如何避免进程与进程之间的地址冲突？等等一系列复杂且琐碎的细节。

如果我们在单进程系统中比如嵌入式设备上开发，系统只有一个进程，也许直接操作物理内存会好处理一些。但还是有很高的开发门槛。然而在现代操作系统中往往支持多个进程，需要处理多进程之间的协同问题，在多进程系统中直接使用物理内存地址操作内存所带来的上述问题就变得非常复杂了。

在直接操作物理内存的情况下，我们需要知道每一个变量的位置都被安排在了哪里，而且还要注意和多个进程同时运行的时候，不能共用同一个地址，否则就会造成地址冲突。现实中一个程序会有很多的变量和函数，这样一来我们给它们都需要计算一个合理的位置，还不能与其他进程冲突，这就很复杂了。

如何解决这一问题呢？这就引出了程序的局部性原理

程序局部性原理表现为：时间局部性和空间局部性。时间局部性是指如果程序中的某条指令一旦执行，则不久之后该指令可能再次被执行；如果某块数据被访问，则不久之后该数据可能再次被访问。空间局部性是指一旦程序访问了某个存储单元，则不久之后，其附近的存储单元也将被访问。

从程序局部性原理的描述中我们可以得出这样一个结论：进程在运行之后，对于内存的访问不会一下子就要访问全部的内存，相反进程对于内存的访问会表现出明显的倾向性，更加倾向于访问最近访问过的数据以及热点数据附近的数据。

根据这个结论我们就清楚了，无论一个进程实际可以占用的内存资源有多大，根据程序局部性原理，在某一段时间内，进程真正需要的物理内存其实是很少的一部分，我们只需要为每个进程分配很少的物理内存就可以保证进程的正常执行运转。

而虚拟内存的引入正是要解决上述的问题，虚拟内存引入之后，进程的视角就会变得非常开阔，每个进程都拥有自己独立的虚拟地址空间，进程与进程之间的虚拟内存地址空间是相互隔离，互不干扰的。

系统上还运行了哪些进程和我没有任何关系。这样一来我们就可以将多进程之间协同的相关复杂细节统统交给内核中的内存管理模块来处理，极大地解放了程序员的心智负担。这一切都是因为虚拟内存能够提供内存地址空间的隔离，极大地扩展了可用空间。

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这样进程就以为自己独占了整个内存空间资源，给进程产生了所有内存资源都属于它自己的幻觉，这其实是 CPU 和操作系统使用的一个障眼法罢了，任何一个虚拟内存里所存储的数据，本质上还是保存在真实的物理内存里的。只不过内核帮我们做了虚拟内存到物理内存的这一层映射，将不同进程的虚拟地址和不同内存的物理地址映射起来。

当 CPU 访问进程的虚拟地址时，经过地址翻译硬件将虚拟地址转换成不同的物理地址，这样不同的进程运行的时候，虽然操作的是同一虚拟地址，但其实背后写入的是不同的物理地址，这样就不会冲突了。

3. 进程虚拟内存空间

上一节中介绍了虚拟内存地址访问，为每个进程提供一个独立的虚拟内存空间，让进程以为自己独占了全部内存资源

那么这个进程独占的虚拟内存空间到底是什么样子呢？在本小节内容开始之前，我们先想象一下，如果我们是内核的设计人员，我们该从哪些方面来规划进程的虚拟内存空间呢？

本小节我们只讨论进程用户态虚拟内存空间的布局，我们先把内核态的虚拟内存空间当做一个黑盒来看待，在后面的小节中我再来详细介绍内核态相关内容。

首先我们会想到的是一个进程运行起来是为了执行我们交代给进程的工作，执行这些工作的步骤我们通过程序代码事先编写好，然后编译成二进制文件存放在磁盘中，CPU 会执行二进制文件中的机器码来驱动进程的运行。所以在进程运行之前，这些存放在二进制文件中的机器码需要被加载进内存中，而用于存放这些机器码的虚拟内存空间叫做代码段。

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在程序运行起来之后，总要操作变量吧，在程序代码中我们通常会定义大量的全局变量和静态变量，这些全局变量在程序编译之后也会存储在二进制文件中，在程序运行之前，这些全局变量也需要被加载进内存中供程序访问。所以在虚拟内存空间中也需要一段区域来存储这些全局变量。

那些在代码中被我们指定了初始值的全局变量和静态变量在虚拟内存空间中的存储区域我们叫做数据段。

那些没有指定初始值的全局变量和静态变量在虚拟内存空间中的存储区域我们叫做 BSS 段。这些未初始化的全局变量被加载进内存之后会被初始化为 0 值。

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上面介绍的这些全局变量和静态变量都是在编译期间就确定的，但是我们程序在运行期间往往需要动态的申请内存，所以在虚拟内存空间中也需要一块区域来存放这些动态申请的内存，这块区域就叫做堆。

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除此之外，我们的程序在运行过程中还需要依赖动态链接库，这些动态链接库以 .so 文件的形式存放在磁盘中，比如 C 程序中的 glibc，里边对系统调用进行了封装。glibc 库里提供的用于动态申请堆内存的 malloc 函数就是对系统调用 sbrk 和 mmap 的封装。这些动态链接库也有自己的对应的代码段，数据段，BSS 段，也需要一起被加载进内存中。

还有用于内存文件映射的系统调用 mmap，会将文件与内存进行映射，那么映射的这块内存（虚拟内存）也需要在虚拟地址空间中有一块区域存储。

这些动态链接库中的代码段，数据段，BSS 段，以及通过 mmap 系统调用映射的共享内存区，在虚拟内存空间的存储区域叫做文件映射与匿名映射区。

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最后我们在程序运行的时候总该要调用各种函数吧，那么调用函数过程中使用到的局部变量和函数参数也需要一块内存区域来保存。这一块区域在虚拟内存空间中叫做栈。

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现在进程的虚拟内存空间所包含的主要区域，我就为大家介绍完了，我们看到内核根据进程运行的过程中所需要不同种类的数据而为其开辟了对应的地址空间。分别为：

  • 用于存放进程程序二进制文件中的机器指令的代码段

  • 用于存放程序二进制文件中定义的全局变量和静态变量的数据段和 BSS 段。

  • 用于在程序运行过程中动态申请内存的堆。

  • 用于存放动态链接库以及内存映射区域的文件映射与匿名映射区。

  • 用于存放函数调用过程中的局部变量和函数参数的栈。

4. Linux 进程虚拟内存空间

我们从32位和64位系统分别俩看一下进程虚拟内存空间的真实分布情况。

4.1 32 位机器上进程虚拟内存空间分布

在 32 位机器上，指针的寻址范围为 2^32，所能表达的虚拟内存空间为 4 GB。所以在 32 位机器上进程的虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 - 0xFFFF FFFF。

其中用户态虚拟内存空间为 3 GB，虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 - 0xC000 000 。

内核态虚拟内存空间为 1 GB，虚拟内存地址范围为：0xC000 000 - 0xFFFF FFFF。

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但是用户态虚拟内存空间中的代码段并不是从 0x0000 0000 地址开始的，而是从 0x0804 8000 地址开始。

0x0000 0000 到 0x0804 8000 这段虚拟内存地址是一段不可访问的保留区，因为在大多数操作系统中，数值比较小的地址通常被认为不是一个合法的地址，这块小地址是不允许访问的。比如在 C 语言中我们通常会将一些无效的指针设置为 NULL，指向这块不允许访问的地址。

保留区的上边就是代码段和数据段，它们是从程序的二进制文件中直接加载进内存中的，BSS 段中的数据也存在于二进制文件中，因为内核知道这些数据是没有初值的，所以在二进制文件中只会记录 BSS 段的大小，在加载进内存时会生成一段 0 填充的内存空间。

紧挨着 BSS 段的上边就是我们经常使用到的堆空间，从图中的红色箭头我们可以知道在堆空间中地址的增长方向是从低地址到高地址增长。内核中使用 start_brk 标识堆的起始位置，brk 标识堆当前的结束位置。当堆申请新的内存空间时，只需要将 brk 指针增加对应的大小，回收地址时减少对应的大小即可。比如当我们通过 malloc 向内核申请很小的一块内存时（128K 之内），就是通过改变 brk 位置实现的。

堆空间的上边是一段待分配区域，用于扩展堆空间的使用。接下来就来到了文件映射与匿名映射区域。进程运行时所依赖的动态链接库中的代码段，数据段，BSS 段就加载在这里。还有我们调用 mmap 映射出来的一段虚拟内存空间也保存在这个区域。注意：在文件映射与匿名映射区的地址增长方向是从高地址向低地址增长。

接下来用户态虚拟内存空间的最后一块区域就是栈空间了，在这里会保存函数运行过程所需要的局部变量以及函数参数等函数调用信息。栈空间中的地址增长方向是从高地址向低地址增长。每次进程申请新的栈地址时，其地址值是在减少的。

在内核中使用 start_stack 标识栈的起始位置，RSP 寄存器中保存栈顶指针 stack pointer，RBP 寄存器中保存的是栈基地址。

在栈空间的下边也有一段待分配区域用于扩展栈空间，在栈空间的上边就是内核空间了，进程虽然可以看到这段内核空间地址，但是就是不能访问。这就好比我们在饭店里虽然可以看到厨房在哪里，但是厨房门上写着 “厨房重地，闲人免进” ，我们就是进不去。

4.2 64 位机器上进程虚拟内存空间分布

上小节中介绍的 32 位虚拟内存空间布局和本小节即将要介绍的 64 位虚拟内存空间布局都可以通过 cat /proc/pid/maps 或者 pmap pid 来查看某个进程的实际虚拟内存布局。

我们理所应当的会认为在 64 位机器上，指针的寻址范围为 2^64，所能表达的虚拟内存空间为 16 EB 。虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 0000 0000 0000 - 0xFFFF FFFF FFFF FFFF 。这很逆天也是不太可能的事情

事实上在目前的 64 位系统下只使用了 48 位来描述虚拟内存空间，寻址范围为 2^48 ，所能表达的虚拟内存空间为 256TB。

其中低 128 T 表示用户态虚拟内存空间，虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 0000 0000 - 0x0000 7FFF FFFF F000 。

高 128 T 表示内核态虚拟内存空间，虚拟内存地址范围为：0xFFFF 8000 0000 0000 - 0xFFFF FFFF FFFF FFFF 。

这样一来就在用户态虚拟内存空间与内核态虚拟内存空间之间形成了一段 0x0000 7FFF FFFF F000 - 0xFFFF 8000 0000 0000 的地址空洞，我们把这个空洞叫做 canonical address 空洞。

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那么这个 canonical address 空洞是如何形成的呢？

我们都知道在 64 位机器上的指针寻址范围为 2^64，但是在实际使用中我们只使用了其中的低 48 位来表示虚拟内存地址，那么这多出的高 16 位就形成了这个地址空洞。

未来我们也可以利用这块 canonical address 空洞，来扩展虚拟内存地址的范围，比如扩展到 56 位。

在我们理解了 canonical address 这个概念之后，我们再来看下 64 位 Linux 系统下的真实虚拟内存空间布局情况：

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从上图中我们可以看出 64 位系统中的虚拟内存布局和 32 位系统中的虚拟内存布局大体上是差不多的。主要不同的地方有三点：

  1. 就是前边提到的由高 16 位空闲地址造成的 canonical address 空洞。在这段范围内的虚拟内存地址是不合法的，因为它的高 16 位既不全为 0 也不全为 1，不是一个 canonical address，所以称之为 canonical address 空洞。

  2. 在代码段跟数据段的中间还有一段不可以读写的保护段，它的作用是防止程序在读写数据段的时候越界访问到代码段，这个保护段可以让越界访问行为直接崩溃，防止它继续往下运行。

  3. 用户态虚拟内存空间与内核态虚拟内存空间分别占用 128T，其中低128T 分配给用户态虚拟内存空间，高 128T 分配给内核态虚拟内存空间

5. 进程虚拟内存空间的管理

无论是在 32 位机器上还是在 64 位机器上，进程虚拟内存空间的核心区域分布的相对位置是不变的，它们都包含下图所示的这几个核心内存区域。

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唯一不同的是，这些核心内内存区域在 32 位和 64 位几千上的绝对位置分布会有所不同。

那么在此基础之上，内核如何为进程管理这些虚拟内存区域呢？

既然我们要介绍进程的虚拟内存空间管理，那就离不开进程在内核中的描述符 task_struct 结构。

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struct task_struct {
        // 进程id
	    pid_t				pid;
        // 用于标识线程所属的进程 pid
	    pid_t				tgid;
        // 进程打开的文件信息
        struct files_struct		*files;
        // 内存描述符表示进程虚拟地址空间
        struct mm_struct		*mm;

        .......... 省略 .......
}

在进程描述符 task_struct 结构中，有一个专门描述进程虚拟地址空间的内存描述符 mm_struct 结构，这个结构体中包含了前边几个小节中介绍的进程虚拟内存空间的全部信息。

每一个进程都有唯一的 mm_struct 结构体，也就是前边提到的每个进程的虚拟地址空间都是独立，互不干扰的。

当我们调用 fork() 函数创建进程的时候，表示进程地址空间的 mm_struct 结构会随着进程描述符 task_struct 的创建而创建。

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long _do_fork(unsigned long clone_flags,
	      unsigned long stack_start,
	      unsigned long stack_size,
	      int __user *parent_tidptr,
	      int __user *child_tidptr,
	      unsigned long tls)
{
        ......... 省略 ..........
	struct pid *pid;
	struct task_struct *p;

        ......... 省略 ..........
    // 为进程创建 task_struct 结构，用父进程的资源填充 task_struct 信息
	p = copy_process(clone_flags, stack_start, stack_size,
			 child_tidptr, NULL, trace, tls, NUMA_NO_NODE);

         ......... 省略 ..........
}

随后会在 copy_process 函数中创建 task_struct 结构，并拷贝父进程的相关资源到新进程的 task_struct 结构里，其中就包括拷贝父进程的虚拟内存空间 mm_struct 结构。这里可以看出子进程在新创建出来之后它的虚拟内存空间是和父进程的虚拟内存空间一模一样的，直接拷贝过来。

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static __latent_entropy struct task_struct *copy_process(
					unsigned long clone_flags,
					unsigned long stack_start,
					unsigned long stack_size,
					int __user *child_tidptr,
					struct pid *pid,
					int trace,
					unsigned long tls,
					int node)
{

    struct task_struct *p;
    // 创建 task_struct 结构
    p = dup_task_struct(current, node);

        ....... 初始化子进程 ...........

        ....... 开始继承拷贝父进程资源  .......      
    // 继承父进程打开的文件描述符
	retval = copy_files(clone_flags, p);
    // 继承父进程所属的文件系统
	retval = copy_fs(clone_flags, p);
    // 继承父进程注册的信号以及信号处理函数
	retval = copy_sighand(clone_flags, p);
	retval = copy_signal(clone_flags, p);
    // 继承父进程的虚拟内存空间
	retval = copy_mm(clone_flags, p);
    // 继承父进程的 namespaces
	retval = copy_namespaces(clone_flags, p);
    // 继承父进程的 IO 信息
	retval = copy_io(clone_flags, p);

      ...........省略.........
    // 分配 CPU
    retval = sched_fork(clone_flags, p);
    // 分配 pid
    pid = alloc_pid(p->nsproxy->pid_ns_for_children);

    ..........省略.........
}

这里我们重点关注 copy_mm 函数，正是在这里完成了子进程虚拟内存空间 mm_struct 结构的的创建以及初始化。

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static int copy_mm(unsigned long clone_flags, struct task_struct *tsk)
{
    // 子进程虚拟内存空间，父进程虚拟内存空间
	struct mm_struct *mm, *oldmm;
	int retval;

        ...... 省略 ......

	tsk->mm = NULL;
	tsk->active_mm = NULL;
    // 获取父进程虚拟内存空间
	oldmm = current->mm;
	if (!oldmm)
		return 0;

        ...... 省略 ......
    // 通过 vfork 或者 clone 系统调用创建出的子进程（线程）和父进程共享虚拟内存空间
	if (clone_flags & CLONE_VM) {
        // 增加父进程虚拟地址空间的引用计数
		mmget(oldmm);
        // 直接将父进程的虚拟内存空间赋值给子进程（线程）
        // 线程共享其所属进程的虚拟内存空间
		mm = oldmm;
		goto good_mm;
	}

	retval = -ENOMEM;
    // 如果是 fork 系统调用创建出的子进程，则将父进程的虚拟内存空间以及相关页表拷贝到子进程中的 mm_struct 结构中。
	mm = dup_mm(tsk);
	if (!mm)
		goto fail_nomem;

good_mm:
    // 将拷贝出来的父进程虚拟内存空间 mm_struct 赋值给子进程
	tsk->mm = mm;
	tsk->active_mm = mm;
	return 0;

        ...... 省略 ......
}

copy_mm 函数首先会将父进程的虚拟内存空间 current->mm 赋值给指针 oldmm。然后通过 dup_mm 函数将父进程的虚拟内存空间以及相关页表拷贝到子进程的 mm_struct 结构中。最后将拷贝出来的 mm_struct 赋值给子进程的 task_struct 结构。

通过 fork() 函数创建出的子进程，它的虚拟内存空间以及相关页表相当于父进程虚拟内存空间的一份拷贝，直接从父进程中拷贝到子进程中。

而当我们通过 vfork 或者 clone 系统调用创建出的子进程，首先会设置 CLONE_VM 标识，这样来到 copy_mm 函数中就会进入 if (clone_flags & CLONE_VM) 条件中，在这个分支中会将父进程的虚拟内存空间以及相关页表直接赋值给子进程。这样一来父进程和子进程的虚拟内存空间就变成共享的了。也就是说父子进程之间使用的虚拟内存空间是一样的，并不是一份拷贝。

子进程共享了父进程的虚拟内存空间，这样子进程就变成了我们熟悉的线程，是否共享地址空间几乎是进程和线程之间的本质区别。Linux 内核并不区别对待它们，线程对于内核来说仅仅是一个共享特定资源的进程而已。

内核线程和用户态线程的区别就是内核线程没有相关的内存描述符 mm_struct ，内核线程对应的 task_struct 结构中的 mm 域指向 Null，所以内核线程之间调度是不涉及地址空间切换的。

父进程与子进程的区别，进程与线程的区别，以及内核线程与用户态线程的区别其实都是围绕着这个 mm_struct 展开的。

接下来深入 mm_struct 结构内部，来看一下内核如何通过这么一个 mm_struct 结构体来管理进程的虚拟内存空间的。

5.1 内核如何划分用户态和内核态虚拟内存空间

通过 《3. 进程虚拟内存空间》小节的介绍我们知道，进程的虚拟内存空间分为两个部分：一部分是用户态虚拟内存空间，另一部分是内核态虚拟内存空间。

那么用户态的地址空间和内核态的地址空间在内核中是如何被划分的呢？

这就用到了进程的内存描述符 mm_struct 结构体中的 task_size 变量，task_size 定义了用户态地址空间与内核态地址空间之间的分界线。

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struct mm_struct {
    unsigned long task_size;	/* size of task vm space */
}

通过前边小节的内容介绍，我们知道在 32 位系统中用户态虚拟内存空间为 3 GB，虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 - 0xC000 000 。

内核态虚拟内存空间为 1 GB，虚拟内存地址范围为：0xC000 000 - 0xFFFF FFFF。

32 位系统中用户地址空间和内核地址空间的分界线在 0xC000 000 地址处，那么自然进程的 mm_struct 结构中的 task_size 为 0xC000 000。

我们来看下内核在 /arch/x86/include/asm/page_32_types.h 文件中关于 TASK_SIZE 的定义。

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/*
 * User space process size: 3GB (default).
 */
#define TASK_SIZE		__PAGE_OFFSET

而在 64 位系统中，只使用了其中的低 48 位来表示虚拟内存地址。其中用户态虚拟内存空间为低 128 T，虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 0000 0000 - 0x0000 7FFF FFFF F000 。

内核态虚拟内存空间为高 128 T，虚拟内存地址范围为：0xFFFF 8000 0000 0000 - 0xFFFF FFFF FFFF FFFF 。

64 位系统中用户地址空间和内核地址空间的分界线在 0x0000 7FFF FFFF F000 地址处，那么自然进程的 mm_struct 结构中的 task_size 为 0x0000 7FFF FFFF F000 。

我们来看下内核在 /arch/x86/include/asm/page_64_types.h 文件中关于 TASK_SIZE 的定义。

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#define TASK_SIZE		(test_thread_flag(TIF_ADDR32) ? \
					IA32_PAGE_OFFSET : TASK_SIZE_MAX)

#define TASK_SIZE_MAX		task_size_max()

#define task_size_max()		((_AC(1,UL) << __VIRTUAL_MASK_SHIFT) - PAGE_SIZE)

#define __VIRTUAL_MASK_SHIFT	47

我们来看下在 64 位系统中内核如何来计算 TASK_SIZE，在 task_size_max() 的计算逻辑中 1 左移 47 位得到的地址是 0x0000800000000000，然后减去一个 PAGE_SIZE （默认为 4K），就是 0x00007FFFFFFFF000，共 128T。所以在 64 位系统中的 TASK_SIZE 为 0x00007FFFFFFFF000 。

这里我们可以看出，64 位虚拟内存空间的布局是和物理内存页 page 的大小有关的，物理内存页 page 默认大小 PAGE_SIZE 为 4K。

5.2 内核如何布局进程虚拟内存空间

内核是如何划分进程虚拟内存空间中的这些内存区域的?

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前边我们提到，内核中采用了一个叫做内存描述符的 mm_struct 结构体来表示进程虚拟内存空间的全部信息。在本小节中我就带大家到 mm_struct 结构体内部去寻找下相关的线索。

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struct mm_struct {
    unsigned long task_size;    /* size of task vm space */
    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;
    unsigned long mmap_base;  /* base of mmap area */
    unsigned long total_vm;    /* Total pages mapped */
    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 */

       ...... 省略 ........
}

内核中用 mm_struct 结构体中的上述属性来定义上图中虚拟内存空间里的不同内存区域。

  • start_code 和 end_code 定义代码段的起始和结束位置，程序编译后的二进制文件中的机器码被加载进内存之后就存放在这里。
  • start_data 和 end_data 定义数据段的起始和结束位置，二进制文件中存放的全局变量和静态变量被加载进内存中就存放在这里。
  • 后面紧挨着的是 BSS 段，用于存放未被初始化的全局变量和静态变量，这些变量在加载进内存时会生成一段 0 填充的内存区域 （BSS 段）， BSS 段的大小是固定的，
  • 下面就是 OS 堆了，在堆中内存地址的增长方向是由低地址向高地址增长， start_brk 定义堆的起始位置，brk 定义堆当前的结束位置。

我们使用 malloc 申请小块内存时（低于 128K），就是通过改变 brk 位置调整堆大小实现的。

  • 接下来就是内存映射区，在内存映射区内存地址的增长方向是由高地址向低地址增长，mmap_base 定义内存映射区的起始地址。进程运行时所依赖的动态链接库中的代码段，数据段，BSS 段以及我们调用 mmap 映射出来的一段虚拟内存空间就保存在这个区域。
  • start_stack 是栈的起始位置在 RBP 寄存器中存储，栈的结束位置也就是栈顶指针 stack pointer 在 RSP 寄存器中存储。在栈中内存地址的增长方向也是由高地址向低地址增长。
  • 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。它们都位于栈中的最高地址处。

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在 mm_struct 结构体中除了上述用于划分虚拟内存区域的变量之外，还定义了一些虚拟内存与物理内存映射内容相关的统计变量，操作系统会把物理内存划分成一页一页的区域来进行管理，所以物理内存到虚拟内存之间的映射也是按照页为单位进行的。

mm_struct 结构体中的 total_vm 表示在进程虚拟内存空间中总共与物理内存映射的页的总数。

注意映射这个概念，它表示只是将虚拟内存与物理内存建立关联关系，并不代表真正的分配物理内存。

当内存吃紧的时候，有些页可以换出到硬盘上，而有些页因为比较重要，不能换出。locked_vm 就是被锁定不能换出的内存页总数，pinned_vm 表示既不能换出，也不能移动的内存页总数。

data_vm 表示数据段中映射的内存页数目，exec_vm 是代码段中存放可执行文件的内存页数目，stack_vm 是栈中所映射的内存页数目，这些变量均是表示进程虚拟内存空间中的虚拟内存使用情况。

5.3 内核如何管理虚拟内存区域

内核是通过一个 mm_struct 结构的内存描述符来表示进程的虚拟内存空间的，并通过 task_size 域来划分用户态虚拟内存空间和内核态虚拟内存空间。

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而在划分出的这些虚拟内存空间中如上图所示，里边又包含了许多特定的虚拟内存区域，比如：代码段，数据段，堆，内存映射区，栈。那么这些虚拟内存区域在内核中又是如何表示的呢？

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struct vm_area_struct {

	unsigned long vm_start;		/* Our start address within vm_mm. */
	unsigned long vm_end;		/* The first byte after our end address
					   within vm_mm. */
	/*
	 * Access permissions of this VMA.
	 */
	pgprot_t vm_page_prot;
	unsigned long vm_flags;	

	struct anon_vma *anon_vma;	/* Serialized by page_table_lock */
    struct file * vm_file;		/* File we map to (can be NULL). */
	unsigned long vm_pgoff;		/* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE
					   units */	
	void * vm_private_data;		/* was vm_pte (shared mem) */
	/* Function pointers to deal with this struct. */
	const struct vm_operations_struct *vm_ops;
}

每个 vm_area_struct 结构对应于虚拟内存空间中的唯一虚拟内存区域 VMA，vm_start 指向了这块虚拟内存区域的起始地址（最低地址），vm_start 本身包含在这块虚拟内存区域内。vm_end 指向了这块虚拟内存区域的结束地址（最高地址），而 vm_end 本身包含在这块虚拟内存区域之外，所以 vm_area_struct 结构描述的是 [vm_start，vm_end) 这样一段左闭右开的虚拟内存区域。

图片不见了哟~

5.4 定义虚拟内存区域的访问权限和行为规范

vm_page_prot 和 vm_flags 都是用来标记 vm_area_struct 结构表示的这块虚拟内存区域的访问权限和行为规范。

内核会将整块物理内存划分为一页一页大小的区域，以页为单位来管理这些物理内存，每页大小默认 4K 。而虚拟内存最终也是要和物理内存一一映射起来的，所以在虚拟内存空间中也有虚拟页的概念与之对应，虚拟内存中的虚拟页映射到物理内存中的物理页。无论是在虚拟内存空间中还是在物理内存中，内核管理内存的最小单位都是页。

vm_page_prot 偏向于定义底层内存管理架构中页这一级别的访问控制权限，它可以直接应用在底层页表中，它是一个具体的概念。

页表用于管理虚拟内存到物理内存之间的映射关系，这部分内容我后续会详细讲解，这里大家有个初步的概念就行。

虚拟内存区域 VMA 由许多的虚拟页 (page) 组成，每个虚拟页需要经过页表的转换才能找到对应的物理页面。页表中关于内存页的访问权限就是由 vm_page_prot 决定的。

vm_flags 则偏向于定义整个虚拟内存区域的访问权限以及行为规范。描述的是虚拟内存区域中的整体信息，而不是虚拟内存区域中具体的某个独立页面。它是一个抽象的概念。可以通过 vma->vm_page_prot = vm_get_page_prot(vma->vm_flags) 实现到具体页面访问权限 vm_page_prot 的转换。

下面我列举一些常用到的 vm_flags 方便大家有一个直观的感受：

vm_flags 访问权限
VM_READ 可读
VM_WRITE 可写
VM_EXEC 可执行
VM_SHARD 可多进程之间共享
VM_IO 可映射至设备 IO 空间
VM_RESERVED 内存区域不可被换出
VM_SEQ_READ 内存区域可能被顺序访问
VM_RAND_READ 内存区域可能被随机访问

VM_READ，VM_WRITE，VM_EXEC 定义了虚拟内存区域是否可以被读取，写入，执行等权限。

比如代码段这块内存区域的权限是可读，可执行，但是不可写。数据段具有可读可写的权限但是不可执行。堆则具有可读可写，可执行的权限（Java 中的字节码存储在堆中，所以需要可执行权限），栈一般是可读可写的权限，一般很少有可执行权限。而文件映射与匿名映射区存放了共享链接库，所以也需要可执行的权限。

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VM_SHARD 用于指定这块虚拟内存区域映射的物理内存是否可以在多进程之间共享，以便完成进程间通讯

VM_IO 的设置表示这块虚拟内存区域可以映射至设备 IO 空间中。通常在设备驱动程序执行 mmap 进行 IO 空间映射时才会被设置。

VM_RESERVED 的设置表示在内存紧张的时候，这块虚拟内存区域非常重要，不能被换出到磁盘中。

VM_SEQ_READ 的设置用来暗示内核，应用程序对这块虚拟内存区域的读取是会采用顺序读的方式进行，内核会根据实际情况决定预读后续的内存页数，以便加快下次顺序访问速度。

VM_RAND_READ 的设置会暗示内核，应用程序会对这块虚拟内存区域进行随机读取，内核则会根据实际情况减少预读的内存页数甚至停止预读。

我们可以通过 posix_fadvise，madvise 系统调用来暗示内核是否对相关内存区域进行顺序读取或者随机读取。相关的详细内容，大家可以看下我上篇文章 《从 Linux 内核角度探秘 JDK NIO 文件读写本质》 (opens new window)中的第 9 小节文件页预读部分。

通过这一系列的介绍，我们可以看到 vm_flags 就是定义整个虚拟内存区域的访问权限以及行为规范，而内存区域中内存的最小单位为页（4K），虚拟内存区域中包含了很多这样的虚拟页，对于虚拟内存区域 VMA 设置的访问权限也会全部复制到区域中包含的内存页中。

5.5 关联内存映射中的映射关系

接下来的三个属性 anon_vma，vm_file，vm_pgoff 分别和虚拟内存映射相关，虚拟内存区域可以映射到物理内存上，也可以映射到文件中，映射到物理内存上我们称之为匿名映射，映射到文件中我们称之为文件映射。

当我们调用 malloc 申请内存时，如果申请的是小块内存（低于 128K）则会使用 do_brk() 系统调用通过调整堆中的 brk 指针大小来增加或者回收堆内存。

如果申请的是比较大块的内存（超过 128K）时，则会调用 mmap 在上图虚拟内存空间中的文件映射与匿名映射区创建出一块 VMA 内存区域（这里是匿名映射）。这块匿名映射区域就用 struct anon_vma 结构表示。

当调用 mmap 进行文件映射时，vm_file 属性就用来关联被映射的文件。这样一来虚拟内存区域就与映射文件关联了起来。vm_pgoff 则表示映射进虚拟内存中的文件内容，在文件中的偏移。

当然在匿名映射中，vm_area_struct 结构中的 vm_file 就为 null，vm_pgoff 也就没有了意义。

vm_private_data 则用于存储 VMA 中的私有数据。具体的存储内容和内存映射的类型有关，我们暂不展开论述。

5.6 针对虚拟内存区域的相关操作

struct vm_area_struct 结构中还有一个 vm_ops 用来指向针对虚拟内存区域 VMA 的相关操作的函数指针。

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struct vm_operations_struct {
	void (*open)(struct vm_area_struct * area);
	void (*close)(struct vm_area_struct * area);
    vm_fault_t (*fault)(struct vm_fault *vmf);
    vm_fault_t (*page_mkwrite)(struct vm_fault *vmf);

    ..... 省略 .......
}

  • 当指定的虚拟内存区域被加入到进程虚拟内存空间中时，open 函数会被调用

  • 当虚拟内存区域 VMA 从进程虚拟内存空间中被删除时，close 函数会被调用

  • 当进程访问虚拟内存时，访问的页面不在物理内存中，可能是未分配物理内存也可能是被置换到磁盘中，这时就会产生缺页异常，fault 函数就会被调用。

  • 当一个只读的页面将要变为可写时，page_mkwrite 函数会被调用。

struct vm_operations_struct 结构中定义的都是对虚拟内存区域 VMA 的相关操作函数指针。

5.7 虚拟内存区域在内核中是如何被组织的

我们继续来到 struct vm_area_struct 结构中，来看一下与组织结构相关的一些属性：

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struct vm_area_struct {

	struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev;
	struct rb_node vm_rb;
    struct list_head anon_vma_chain; 
	struct mm_struct *vm_mm;	/* The address space we belong to. */
	
    unsigned long vm_start;     /* Our start address within vm_mm. */
    unsigned long vm_end;       /* The first byte after our end address
                       within vm_mm. */
    /*
     * Access permissions of this VMA.
     */
    pgprot_t vm_page_prot;
    unsigned long vm_flags; 

    struct anon_vma *anon_vma;  /* Serialized by page_table_lock */
    struct file * vm_file;      /* File we map to (can be NULL). */
    unsigned long vm_pgoff;     /* Offset (within vm_file) in PAGE_SIZE
                       units */ 
    void * vm_private_data;     /* was vm_pte (shared mem) */
    /* Function pointers to deal with this struct. */
    const struct vm_operations_struct *vm_ops;
}

在内核中其实是通过一个 struct vm_area_struct 结构的双向链表将虚拟内存空间中的这些虚拟内存区域 VMA 串联起来的。

vm_area_struct 结构中的 vm_next ，vm_prev 指针分别指向 VMA 节点所在双向链表中的后继节点和前驱节点，内核中的这个 VMA 双向链表是有顺序的，所有 VMA 节点按照低地址到高地址的增长方向排序。

双向链表中的最后一个 VMA 节点的 vm_next 指针指向 NULL，双向链表的头指针存储在内存描述符 struct mm_struct 结构中的 mmap 中，正是这个 mmap 串联起了整个虚拟内存空间中的虚拟内存区域。

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struct mm_struct {
    struct vm_area_struct *mmap;		/* list of VMAs */
}

在每个虚拟内存区域 VMA 中又通过 struct vm_area_struct 中的 vm_mm 指针指向了所属的虚拟内存空间 mm_struct。

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我们可以通过 cat /proc/pid/maps 或者 pmap pid 查看进程的虚拟内存空间布局以及其中包含的所有内存区域。这两个命令背后的实现原理就是通过遍历内核中的这个 vm_area_struct 双向链表获取的。

内核中关于这些虚拟内存区域的操作除了遍历之外还有许多需要根据特定虚拟内存地址在虚拟内存空间中查找特定的虚拟内存区域。

尤其在进程虚拟内存空间中包含的内存区域 VMA 比较多的情况下，使用红黑树查找特定虚拟内存区域的时间复杂度是 O( logN ) ，可以显著减少查找所需的时间。

所以在内核中，同样的内存区域 vm_area_struct 会有两种组织形式，一种是双向链表用于高效的遍历，另一种就是红黑树用于高效的查找。

每个 VMA 区域都是红黑树中的一个节点，通过 struct vm_area_struct 结构中的 vm_rb 将自己连接到红黑树中。

而红黑树中的根节点存储在内存描述符 struct mm_struct 中的 mm_rb 中：

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struct mm_struct {
     struct rb_root mm_rb;
}

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6. 程序编译后的二进制文件如何映射到虚拟内存空间中

现在我们再来回到最初的起点，进程的虚拟内存空间 mm_struct 以及这些虚拟内存区域 vm_area_struct 是如何被创建并初始化的呢？

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在《3. 进程虚拟内存空间》小节中，我们介绍进程的虚拟内存空间时提到，我们写的程序代码编译之后会生成一个 ELF 格式的二进制文件，这个二进制文件中包含了程序运行时所需要的元信息，比如程序的机器码，程序中的全局变量以及静态变量等。

这个 ELF 格式的二进制文件中的布局和我们前边讲的虚拟内存空间中的布局类似，也是一段一段的，每一段包含了不同的元数据。

磁盘文件中的段我们叫做 Section，内存中的段我们叫做 Segment，也就是内存区域。

磁盘文件中的这些 Section 会在进程运行之前加载到内存中并映射到内存中的 Segment。通常是多个 Section 映射到一个 Segment。

比如磁盘文件中的 .text，.rodata 等一些只读的 Section，会被映射到内存的一个只读可执行的 Segment 里（代码段）。而 .data，.bss 等一些可读写的 Section，则会被映射到内存的一个具有读写权限的 Segment 里（数据段，BSS 段）。

那么这些 ELF 格式的二进制文件中的 Section 是如何加载并映射进虚拟内存空间的呢？

内核中完成这个映射过程的函数是 load_elf_binary ，这个函数的作用很大，加载内核的是它，启动第一个用户态进程 init 的是它，fork 完了以后，调用 exec 运行一个二进制程序的也是它。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上述提到的内存映射。

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static int load_elf_binary(struct linux_binprm *bprm)
{
      ...... 省略 ........
  // 设置虚拟内存空间中的内存映射区域起始地址 mmap_base
  setup_new_exec(bprm);

     ...... 省略 ........
  // 创建并初始化栈对应的 vm_area_struct 结构。
  // 设置 mm->start_stack 就是栈的起始地址也就是栈底，并将 mm->arg_start 是指向栈底的。
  retval = setup_arg_pages(bprm, randomize_stack_top(STACK_TOP),
         executable_stack);

     ...... 省略 ........
  // 将二进制文件中的代码部分映射到虚拟内存空间中
  error = elf_map(bprm->file, load_bias + vaddr, elf_ppnt,
        elf_prot, elf_flags, total_size);

     ...... 省略 ........
 // 创建并初始化堆对应的的 vm_area_struct 结构
 // 设置 current->mm->start_brk = current->mm->brk，设置堆的起始地址 start_brk，结束地址 brk。 起初两者相等表示堆是空的
  retval = set_brk(elf_bss, elf_brk, bss_prot);

     ...... 省略 ........
  // 将进程依赖的动态链接库 .so 文件映射到虚拟内存空间中的内存映射区域
  elf_entry = load_elf_interp(&loc->interp_elf_ex,
              interpreter,
              &interp_map_addr,
              load_bias, interp_elf_phdata);

     ...... 省略 ........
  // 初始化内存描述符 mm_struct
  current->mm->end_code = end_code;
  current->mm->start_code = start_code;
  current->mm->start_data = start_data;
  current->mm->end_data = end_data;
  current->mm->start_stack = bprm->p;

     ...... 省略 ........
}

  • setup_new_exec 设置虚拟内存空间中的内存映射区域起始地址 mmap_base

  • setup_arg_pages 创建并初始化栈对应的 vm_area_struct 结构。置 mm->start_stack 就是栈的起始地址也就是栈底，并将 mm->arg_start 是指向栈底的。

  • elf_map 将 ELF 格式的二进制文件中.text ，.data，.bss 部分映射到虚拟内存空间中的代码段，数据段，BSS 段中。

  • set_brk 创建并初始化堆对应的的 vm_area_struct 结构，设置 current->mm->start_brk = current->mm->brk，设置堆的起始地址 start_brk，结束地址 brk。 起初两者相等表示堆是空的。

  • load_elf_interp 将进程依赖的动态链接库 .so 文件映射到虚拟内存空间中的内存映射区域

  • 初始化内存描述符 mm_struct

7. 内核虚拟内存空间

现在我们已经知道了进程虚拟内存空间在内核中的布局以及管理，那么内核态的虚拟内存空间又是什么样子的呢？本小节我就带大家来一层一层地拆开这个黑盒子。

之前在介绍进程虚拟内存空间的时候，我提到不同进程之间的虚拟内存空间是相互隔离的，彼此之间相互独立，相互感知不到其他进程的存在。使得进程以为自己拥有所有的内存资源。

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而内核态虚拟内存空间是所有进程共享的，不同进程进入内核态之后看到的虚拟内存空间全部是一样的。

什么意思呢？比如上图中的进程 a，进程 b，进程 c 分别在各自的用户态虚拟内存空间中访问虚拟地址 x 。由于进程之间的用户态虚拟内存空间是相互隔离相互独立的，虽然在进程a，进程b，进程c 访问的都是虚拟地址 x 但是看到的内容却是不一样的（背后可能映射到不同的物理内存中）。

但是当进程 a，进程 b，进程 c 进入到内核态之后情况就不一样了，由于内核虚拟内存空间是各个进程共享的，所以它们在内核空间中看到的内容全部是一样的，比如进程 a，进程 b，进程 c 在内核态都去访问虚拟地址 y。这时它们看到的内容就是一样的了。

由于内核会涉及到物理内存的管理，所以很多人会想当然地认为只要进入了内核态就开始使用物理地址了，这就大错特错了，千万不要这样理解，进程进入内核态之后使用的仍然是虚拟内存地址，只不过在内核中使用的虚拟内存地址被限制在了内核态虚拟内存空间范围中，这也是本小节我要为大家介绍的主题。

在清楚了这个基本概念之后，下面我分别从 32 位体系 和 64 位体系下为大家介绍内核态虚拟内存空间的布局。

7.1 32 位体系内核虚拟内存空间布局

在前边《5.1 内核如何划分用户态和内核态虚拟内存空间》小节中我们提到，内核在 /arch/x86/include/asm/page_32_types.h 文件中通过 TASK_SIZE 将进程虚拟内存空间和内核虚拟内存空间分割开来。

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/*
 * User space process size: 3GB (default).
 */
#define TASK_SIZE       __PAGE_OFFSET

__PAGE_OFFSET 的值在 32 位系统下为 0xC000 000

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在 32 位体系结构下进程用户态虚拟内存空间为 3 GB，虚拟内存地址范围为：0x0000 0000 - 0xC000 000 。内核态虚拟内存空间为 1 GB，虚拟内存地址范围为：0xC000 000 - 0xFFFF FFFF。

本小节我们主要关注 0xC000 000 - 0xFFFF FFFF 这段虚拟内存地址区域也就是内核虚拟内存空间的布局情况。

7.1.1 直接映射区

在总共大小 1G 的内核虚拟内存空间中，位于最前边有一块 896M 大小的区域，我们称之为直接映射区或者线性映射区，地址范围为 3G – 3G + 896m 。

之所以这块 896M 大小的区域称为直接映射区或者线性映射区，是因为这块连续的虚拟内存地址会映射到 0 - 896M 这块连续的物理内存上。

也就是说 3G – 3G + 896m 这块 896M 大小的虚拟内存会直接映射到 0 - 896M 这块 896M 大小的物理内存上，这块区域中的虚拟内存地址直接减去 0xC000 0000 (3G) 就得到了物理内存地址。所以我们称这块区域为直接映射区。

为了方便为大家解释，我们假设现在机器上的物理内存为 4G 大小

[图片不见了哟](https://cdn.xiaolincoding.com//mysql/other/1d91dd17f2390c91f6693b9e686ccc13.png)

虽然这块区域中的虚拟地址是直接映射到物理地址上，但是内核在访问这段区域的时候还是走的虚拟内存地址，内核也会为这块空间建立映射页表。关于页表的概念我后续会为大家详细讲解，这里大家只需要简单理解为页表保存了虚拟地址到物理地址的映射关系即可

大家这里只需要记得内核态虚拟内存空间的前 896M 区域是直接映射到物理内存中的前 896M 区域中的，直接映射区中的映射关系是一比一映射。映射关系是固定的不会改变。

在这段 896M 大小的物理内存中，前 1M 已经在系统启动的时候被系统占用，1M 之后的物理内存存放的是内核代码段，数据段，BSS 段（这些信息起初存放在 ELF格式的二进制文件中，在系统启动的时候被加载进内存）。

我们可以通过 cat /proc/iomem 命令查看具体物理内存布局情况。

当我们使用 fork 系统调用创建进程的时候，内核会创建一系列进程相关的描述符，比如之前提到的进程的核心数据结构 task_struct，进程的内存空间描述符 mm_struct，以及虚拟内存区域描述符 vm_area_struct 等。

这些进程相关的数据结构也会存放在物理内存前 896M 的这段区域中，当然也会被直接映射至内核态虚拟内存空间中的 3G – 3G + 896m 这段直接映射区域中。

[图片不见了哟](https://cdn.xiaolincoding.com//mysql/other/d945d22667c4ea56dbd2f19677306a91-20230309234037651.png)

当进程被创建完毕之后，在内核运行的过程中，会涉及内核栈的分配，内核会为每个进程分配一个固定大小的内核栈（一般是两个页大小，依赖具体的体系结构），每个进程的整个调用链必须放在自己的内核栈中，内核栈也是分配在直接映射区。

与进程用户空间中的栈不同的是，内核栈容量小而且是固定的，用户空间中的栈容量大而且可以动态扩展。内核栈的溢出危害非常巨大，它会直接悄无声息的覆盖相邻内存区域中的数据，破坏数据。

通过以上内容的介绍我们了解到内核虚拟内存空间最前边的这段 896M 大小的直接映射区如何与物理内存进行映射关联，并且清楚了直接映射区主要用来存放哪些内容。

写到这里，我觉得还是有必要再次从功能划分的角度为大家介绍下这块直接映射区域。

我们都知道内核对物理内存的管理都是以页为最小单位来管理的，每页默认 4K 大小，理想状况下任何种类的数据页都可以存放在任何页框中，没有什么限制。比如：存放内核数据，用户数据，缓冲磁盘数据等。

但是实际的计算机体系结构受到硬件方面的限制制约，间接导致限制了页框的使用方式。

比如在 X86 体系结构下，ISA 总线的 DMA （直接内存存取）控制器，只能对内存的前16M 进行寻址，这就导致了 ISA 设备不能在整个 32 位地址空间中执行 DMA，只能使用物理内存的前 16M 进行 DMA 操作。

因此直接映射区的前 16M 专门让内核用来为 DMA 分配内存，这块 16M 大小的内存区域我们称之为 ZONE_DMA。

用于 DMA 的内存必须从 ZONE_DMA 区域中分配。

而直接映射区中剩下的部分也就是从 16M 到 896M（不包含 896M）这段区域，我们称之为 ZONE_NORMAL。从字面意义上我们可以了解到，这块区域包含的就是正常的页框（使用没有任何限制）。

ZONE_NORMAL 由于也是属于直接映射区的一部分，对应的物理内存 16M 到 896M 这段区域也是被直接映射至内核态虚拟内存空间中的 3G + 16M 到 3G + 896M 这段虚拟内存上。

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注意这里的 ZONE_DMA 和 ZONE_NORMAL 是内核针对物理内存区域的划分

现在物理内存中的前 896M 的区域也就是前边介绍的 ZONE_DMA 和 ZONE_NORMAL 区域到内核虚拟内存空间的映射我就为大家介绍完了，它们都是采用直接映射的方式，一比一就行映射。

7.1.2 ZONE_HIGHMEM 高端内存