【底层原理】Linux内存管理

今天这篇文章主要是之前看内核相关知识和博客Gustavo Duarte中。我（指道文）主要是看了这篇博客，并且结合之前的知识，对内存管理的的理解又上升了一个档次。所以想通过这篇文章总结下。

我们先来看下linux内存布局，此图比我之前写的那篇文章写的布局更详细

在linux中，每一个进程都被抽象为task_struct结构体，称为进程描述符，存储着进程各方面的信息；例如打开的文件，信号以及内存等等；然后task_struct中的一个属性mm_struct管理着进程的所有虚拟内存，称为内存描述符。在mm_struct结构体中，存储着进程各个内存段的开始以及结尾，如

上图所示；这进程使用的物理内存，即常驻内存RSS页数，这个内存使用的虚拟地址空间VSZ页数，还有这个进程虚拟内存区域集合和页表。

从上面这个图可以看出，进程是有代码段Text segment,数据段（已初始化的全局，静态变量），BSS段（未初始化的全局，静态变量），堆，内存映射区以及栈；

每一块虚拟内存区(VMA)都是由一块连续的虚拟地址组成，这些地址从不覆盖。一个vm_area_struct实例描述了一块内存区域，包括这块内存区域的开始以及结尾地址；flags标志决定了这块内存的访问权限和行为；vm_file决定这块内存是由哪个文件映射的，如果没有文件映射，则这块内存为匿名的(anonymous)。上述图中提到的每个内存段，都对应于一个vm_area_struct结构。如下图所示

上图即为/bin/gonzo进程的内存布局。程序的二进制文件映射到代码段和数据段，代码段为只读只执行，不可更改；全局以及静态的未初始化的变量映射到BSS段，为匿名映射，堆和栈也是匿名映射，因为没有相应的文件映射；内存映射区可以映射共享库，映射文件以及匿名映射，所以这块内存段可以是文件映射也可以是匿名映射。而且不同的文件，映射到不同的vm_area_struct区。

这些vm_area_struct集合存储在mm_struct中的一个单向链表和红黑树中；当输出/proc/pid/maps文件时，只需要遍历这个链表即可。红黑树主要是为了快速定位到某一个内存块,红黑树的根存储在mm_rb域。

之前介绍过，线性地址需要通过页表才能转换为物理地址。每个进程的内存描述符也保存了这个进程页表指针pgd，每一块虚拟内存页都和页表的某一项对应。

虚拟内存是不存储任何数据的，它只是将地址空间映射到物理内存。物理内存有内核伙伴系统分配，如果一块物理内存没有被映射，就可以被伙伴系统分配给虚拟内存。刚分配的物理内存叶框可能是匿名的，存储进程数据，也可能是也缓存，存储文件或块设备的数据。一块虚拟内存vm_area_struct块是由连续的虚拟内存页组成的，而这些虚拟内存块映射的物理内存却不一定连续，如下图所示:

如上图所示，有三个页映射到物理内存，还有两个页没有映射，所以常驻内存RSS为12kb，而虚拟内存大小为20kb。对于有映射到物理内存的三个页的页表项PTE的Present标志设为1，而两个没有映射物理内存的虚拟内存页表项的Present位清除。所以这时访问那两块内存，则会导致异常缺页。

vma就像应用程序和内核的一个契约。当应用程序申请内存或者文件映射时，内核先响应这个请求，分配或更新虚拟内存；但是这些虚拟内存并没有映射到真实的物理内存。而是等到内存访问产生一个内存异常缺页时才真正映射物理内存。即当访问没有映射的虚拟内存时，由于页表项的Present位没有被设置，所以此时会产生一个缺页异常。vma记录和页表项两个在解决内存缺页，释放内存以及内存swap out都起着重要的作用。下面图展示了上述情况:

1、一开始堆中只有8kb的内存，而且都已经映射到物理内存；

2、当调用brk()函数扩展堆时，新的页是没有映射到物理内存的，

3、当处理器需要访问一个地址，而且这个地址在上述刚分配的虚拟内存中，这时产生一个缺页异常；

4、这时进程向伙伴系统申请一页的物理内存，映射到那块虚拟内存上，并添加页表项，设置Present位.

自此，这个内存管理暂时就说到这。总结下：

1、linux进程的内存布局的每个段都是有一个vm_area_struct,而这个实例是由连续的虚拟内存地址组成；

2、当请求内存时，先是扩展vm_area_struct或者新分配一个vm_area_struct，但是并不映射物理内存，只有等到访问这块内存时，产生缺页异常，内核才分配物理内存。

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