Linux内核地址空间管理与进程虚拟内存

"这篇读书笔记主要讨论了Linux内核(lkd)中的地址空间概念，特别是关于进程地址空间的组织和管理。" 在Linux操作系统中，地址空间是每个进程所看到的内存布局，它是一个虚拟的、逻辑上的内存分配方式。每个进程都有其独特的地址空间，即使这些空间在数值上可能相同，但它们之间实际上是相互独立的。这种机制使得进程间的数据隔离得以实现，增强了系统的安全性。 1. **进程地址空间结构** - **平坦模型**：进程的地址空间被划分为一系列连续的区域，每个区域都有特定的用途。 - **内存段**：地址空间包括代码段、数据段、BSS段（未初始化的全局变量和静态变量区）、用户栈以及可能的共享库、内存映射文件、共享内存段和匿名内存映射（如通过`malloc`分配的内存）。 2. **内存描述符（mm_struct）** - 内核使用`mm_struct`数据结构来表示进程的地址空间，其中包含了关于内存区域的信息。 - `mm_user`和`mm_count`字段用于跟踪地址空间的使用情况。 - `mmap`字段是一个红黑树，用于快速查找和管理内存区域。 3. **进程创建与地址空间** - 在`fork()`调用时，新的进程会复制父进程的地址空间，包括`mm_struct`。 - 使用`clone()`函数时，可以指定`CLONE_VM`标志，使子进程与父进程共享地址空间，这样的进程被称为线程。 - 当进程退出时，其内存描述符会被撤销，释放相关的资源。 4. **虚拟内存区域（VMAs）** - `vm_area_struct`结构体定义了进程地址空间中的一个连续区域，每个区域都是独立管理的内存对象。 - VMAs用于管理内存区域的读写权限、保护和缓存特性等。 5. **内核线程与地址空间** - 内核线程没有用户空间的地址空间，因此它们没有`mm_struct`，无法访问用户空间内存。 - 内核线程直接使用内核内存，通过页表进行访问，而不是通过进程的地址空间。 6. **内存访问权限** - 进程只能访问其有效内存区域内的地址，并且必须具有相应的权限才能执行读写操作。非法访问会导致“段错误”，并可能触发内核终止进程。 7. **内存管理操作** - 内核通过内存描述符和VMAs对内存区域进行映射、分配、释放和保护等操作，确保内存的有效管理和高效利用。 Linux内核的地址空间管理是一个复杂而精细的体系，它涉及到进程的隔离、内存的动态分配和回收，以及内核线程的特殊处理。这一机制对于系统的稳定性和安全性至关重要。