虚拟内存的管理

4.2　虚拟内存的管理

进程运行时能访问的存储空间只是它的虚拟内存空间。对当前进程而言只有属于它的虚拟内存是可见的。在进程的虚拟内存包含着进程本身的程序代码和数据。进程在运行中还必须得到操作系统的支持。进程的虚拟内存中还包含着操作系统内核。

Linux把进程的虚拟内存分成两部分，内核空间和用户空间。在Linux中，每个用户进程都可以访问4GB的线性虚拟内存空间。其中从0到3GB-1的虚存地址是用户空间，用户进程可以直接访问。从3GB到4GB-1的虚存地址为内核态空间，存放供操作系统内核访问的代码和数据，用户态进程不能访问。所有进程从3GB到4GB-1的虚拟空间都是一样的，Linux以此方式让内核态进程共享代码段和数据段。

操作系统内核的代码和数据等被映射到内核空间。进程的可执行映像（代码和数据）映射到虚拟内存的用户空间。进程虚拟内存的内核空间的访问权限设置为0级，用户空间为3级。内核访问虚存的权限为0级，而进程的访问权限为3级。

Linux运行在I386时，进程的虚拟内存为4GB。进程虚存空间的划分在系统初始化时由GDT确定，它定义在/arch/i386/kernel/head.S文件中。

Linux的存储管理主要是管理进程虚拟内存的用户区。进程虚拟内存的用户区分成代码段、数据段、堆栈以及进程运行的环境变量、参数传递区域等。

Linux用结构mm_struct描述了一个进程的整个虚拟地址空间。mm_struct结构包含了当前可执行文件信息和进程页目录指针pgd，以及指向vm_area_struc结构链表的指针。进程的task_struct内嵌了mm_struct的指针mm。

每一个进程，用一个mm_struct结构体来定义它的虚存用户区。mm_struct结构体首地址在任务结构体task_struct成员项mm中。mm_struct结构定义在/include/linux/schedul.h中（不同的版本结构略有不同）。

struct mm_struct

{

　　struct vm_area_struct * mmap;　　　　　/*指向VMA链表表头的指针*/

　　rb_root_t mm_rb;　　　　　　　　　　 　/*指向进程红黑树的根*/

　　struct vm_area_struct * mmap_cache;

　　pgd_t * pgd;　　　　　　　　　　　　 　/*指向进程页目录表的指针*/

　　atomic_t mm_users;　　　　　　　　　　/*用户空间数*/

　　atomic_t mm_count;　　　　　　　　　　/* 访问mm_struct结构的计数*/

　　int map_count;　　　　　　　　　　　　/* VMA的数量 */

　　struct rw_semaphore mmap_sem;

　　spinlock_t page_table_lock;　　　　　　/*保护任务页表和mm-〉rss*/

　　struct list_head mmlist; 　　　　　　　/*所有活动mm的列表*/

　　unsigned long start_code, end_code, start_data, end_data; /*分别为代码段、数据段的 *首地址和终止地址*/

　　unsigned long start_brk, brk, start_stack;

　　unsigned long arg_start, arg_end, env_start, env_end; /*分别为参数区、环境变量区的*首地址和终止地址*/

　　unsigned long rss, total_vm, locked_vm; /*驻留内存页框总数，VMA总数及被锁*VMA总数*/

　　unsigned long def_flags;

　　unsigned long cpu_vm_mask;

　　unsigned long swap_address;

　　unsigned dumpable:1;

　　mm_context_t context; /*和具体硬件结构有关的MM上下文*/

};

mm_struct结构描述了一个进程的页目录，有关进程的上下文信息，以及数据，代码，堆栈的起始、结束地址，还有虚拟存储器的数目，以及调度存储用的链表指针。

Linux在管理进程虚存空间时定义了虚存段（vma）。虚存段是进程一段连续的虚存空间，在这段虚存里，所有单元拥有相同特征。Linux用数据结构vm_area_struct描述了虚存段的属性，它主要包括：

(1)vma在虚存中的起始地址和终止地址。

(2)vma段内容来源，例如磁盘文件由其inode指示。

(3)一系列对vma操作例程。

(4)同一进程的vma段的vm_area_struct结构通过vm_next指针连接组成链表。系统以虚拟内存地址的降序排列vm_area_struct结构。这样建立了文件的逻辑地址到虚拟线性地址的映射。

vm_area-struct是描述进程的虚拟地址区域，一个虚存区域是虚存空间中一个连续的区域，在这个区域中的信息具有相同的操作和访问特性。它形成一个单向链表，这样当内核需要在一个给定进程页上执行给定操作时，可从双向列表中找到该项。每个虚拟区域用一个vm_area_struct结构体进行描述，它定义在/include/linux/mm.h中：

struct vm_area_struct {

　struct mm_struct * vm_mm; /* vm_mm指针指向进程的mm_struct结构体*/

　unsigned long vm_start; /*虚拟区域的开始地址*/

　unsigned long vm_end; /*虚拟区域的终止地址*/

　/*每个进程的虚存区链表，按地址排序*/

　struct vm_area_struct vm_next; /*指向下一个vm_area_struct结构体，链表的首地址由*mm_struct中成员项mmap指出*/

　pgprot_t vm_page_prot; /*该VMA的访问权限*/

　unsigned short vm_flags; /*指出虚存区域的操作特性*/

　struct rb_node vm_rb;

　struct list_head shared;

　struct vm_operations_struct * vm_ops; /*指向vm_operations_struct结构体的指针，　　*该结构体中包含着指向各种操作函数的指针*/

　/* 后援存储器的信息*/

　unsigned long vm_pgoff; /*PAGE_SIZE单元中的偏移量，不是PAGE_CACHE_SIZE*/

　unsigned long vm_offset; /*该区域的内容相对于文件起始位置的偏移量，或相对于共*享内存首址的偏移量*/

　struct file * vm_file;/* 若虚存区域映射的是磁盘文件或设备文件的内容，则vm_file *指向这个文件，否则为NULL*/

　void * vm_private_data; /*共享内存页表vm_pte */

};

vm_flags指出了虚存区域的操作特性，参见表4-1。

表4-1　vm_flags的含义

所有vm_area_struct结构体链接成一个单向链表，vm_next指向下一个vm_area_struct结构体。链表的首地址由mm_struct中成员项mmap指出。

vm_ops是指向vm_operations_struct结构体的指针。该结构体中包含着指向各种操作的函数的指针。

struct list_head

{

　　struct list_head *next, *prev;

};

shared中的前后向指针，把有关的vm_area_struct结合成一个共享内存时使用的双向链表。

mm中的vma按地址排序由线性链表连接起来，当vma的数量相当大的时候启用AVL树，与线性链表同时管理vma以提高访问效率。随着vma的动态改变，vma之间存在归并和拆分等操作。分配vma并不立即分配页帧。

图4-4　进程虚存空间管理

所有vm_area_struct结构体组成一个红黑树，也称为AVL(Adelson-Velskii and Landis)树。AVL树是一种具有平衡结构的二叉树。

struct rb_node

{

　　struct rb_node *rb_parent;

　　int rb_color;

　　#define　RB_RED　　0

　　#define　RB_BLACK　1

　　struct rb_node *rb_right;

　　struct rb_node *rb_left;

};

struct rb_root

{

　　struct rb_node *rb_node;

};

进程虚存空间如图4-4所示。