Linux 内存管理窥探（15）：虚拟内存 VMA 浅析

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在32位的系统上，线性地址空间可达到4GB，这4GB一般按照3:1的比例进行分配，也就是说用户进程享有前3GB线性地址空间，而内核独享最后1GB线性地址空间。由于虚拟内存的引入，每个进程都可拥有3GB的虚拟内存，并且用户进程之间的地址空间是互不可见、互不影响的，也就是说即使两个进程对同一个地址进行操作，也不会产生问题。在前面介绍的一些分配内存的途径中，无论是伙伴系统中分配页的函数，还是slab分配器中分配对象的函数，它们都会尽量快速地响应内核的分配请求，将相应的内存提交给内核使用，而内核对待用户空间显然不能如此。用户空间动态申请内存时往往只是获得一块线性地址的使用权，而并没有将这块线性地址区域与实际的物理内存对应上，只有当用户空间真正操作申请的内存时，才会触发一次缺页异常，这时内核才会分配实际的物理内存给用户空间。

用户进程的虚拟地址空间包含了若干区域，这些区域的分布方式是特定于体系结构的，不过所有的方式都包含下列成分：

• 可执行文件的二进制代码，也就是程序的代码段
• 存储全局变量的数据段
• 用于保存局部变量和实现函数调用的栈
• 环境变量和命令行参数
• 程序使用的动态库的代码
• 用于映射文件内容的区域

由此可以看到进程的虚拟内存空间会被分成不同的若干区域，每个区域都有其相关的属性和用途，一个合法的地址总是落在某个区域当中的，这些区域也不会重叠。在linux内核中，这样的区域被称之为虚拟内存区域(virtual memory areas),简称 VMA。一个vma就是一块连续的线性地址空间的抽象，它拥有自身的权限(可读，可写，可执行等等) ，每一个虚拟内存区域都由一个相关的 struct vm_area_struct 结构来描述。

从进程的角度来讲，VMA 其实是虚拟空间的内存块，一个进程的所有资源由多个内存块组成，所以，一个进程的描述结构 task_struct 中首先包含Linux的内存描述符 mm_struct 结构。

struct task_struct { ....... struct mm_struct *mm; ....... }

在 mm_struct 中进而包含了 vm_area_struct :

struct mm_struct { struct vm_area_struct * mmap; /* list of VMAs */ struct rb_root mm_rb; struct vm_area_struct * mmap_cache; /* last find_vma result */ ....... }

一个进程的每个 VMA 块都会链接到中的链表和红黑树：

1. mmap 形成一个单链表，一个进程的所有 VMA 都链接到这个链表，链表头是 mm->mmap

2. mm_rb 是红黑树节点，每个进程都一个 VMA 红黑树

VMA 按照起始地址递增的方式，插入到 mm_struct->mmap 链表。当进程拥有大量的 VMA 的时候，搜索效率比较低，所以哟娜那个到红黑树来加快查找。

接下来看看这次的主角 vm_area_struct：

struct vm_area_struct { struct mm_struct * vm_mm; /* 所属的内存描述符 */ unsigned long vm_start; /* vma的起始地址 */ unsigned long vm_end; /* vma的结束地址 */ /* 该vma的在一个进程的vma链表中的前驱vma和后驱vma指针，链表中的vma都是按地址来排序的*/ struct vm_area_struct *vm_next, *vm_prev; pgprot_t vm_page_prot; /* vma的访问权限 */ unsigned long vm_flags; /* 标识集 */ struct rb_node vm_rb; /* 红黑树中对应的节点 */ /* * For areas with an address space and backing store, * linkage into the address_space->i_mmap prio tree, or * linkage to the list of like vmas hanging off its node, or * linkage of vma in the address_space->i_mmap_nonlinear list. */ /* shared联合体用于和address space关联 */ union { struct { struct list_head list;/* 用于链入非线性映射的链表 */ void *parent; /* aligns with prio_tree_node parent */ struct vm_area_struct *head; } vm_set; struct raw_prio_tree_node prio_tree_node;/*线性映射则链入i_mmap优先树*/ } shared; /* * A file's MAP_PRIVATE vma can be in both i_mmap tree and anon_vma * list, after a COW of one of the file pages. A MAP_SHARED vma * can only be in the i_mmap tree. An anonymous MAP_PRIVATE, stack * or brk vma (with NULL file) can only be in an anon_vma list. */ /*anno_vma_node和annon_vma用于管理源自匿名映射的共享页*/ struct list_head anon_vma_node; /* Serialized by anon_vma->lock */ struct anon_vma *anon_vma; /* Serialized by page_table_lock */ /* Function pointers to deal with this struct. */ /*该vma上的各种标准操作函数指针集*/ const struct vm_operations_struct *vm_ops; /* Information about our backing store: */ unsigned long vm_pgoff; /* 映射文件的偏移量，以PAGE_SIZE为单位 */ struct file * vm_file; /* 映射的文件，没有则为NULL */ void * vm_private_data; /* was vm_pte (shared mem) */ unsigned long vm_truncate_count;/* truncate_count or restart_addr */ #ifndef CONFIG_MMU struct vm_region *vm_region; /* NOMMU mapping region */ #endif #ifdef CONFIG_NUMA struct mempolicy *vm_policy; /* NUMA policy for the VMA */ #endif };

所以进程的 VMA 的组织为：